Applicability of alternative fuels

Full Text

Сейчас в большинстве стран мира решается задача поиска заменителей топлива нефтя- ного происхождения, запасы которого резко сокращаются, а потребности в нем растут. При- менению альтернативных источников энергии для двигателей автомобилей и тракторов в настоящее время уделяется огромное внимание [1-5]. В последнее время потребление угле- водородных топлив в общем энергетическом балансе мира увеличилось в 4,2 раза. Решением проблемы значительного сокращения потребления моторного топлива авто- мобилями, за счет совершенствования рабочего цикла ДВС, вряд ли может быть достигнуто. Это связано с тем, что известные способы улучшения экономичности, такие как совершен- ствование топливных систем и систем зажигания, в том числе применение микропроцессор- ных систем управления двигателем (МСУД), управление процессом газообмена, применение наддува, рециркуляция отработавших газов, недостаточно эффективны для кардинального решения проблемы. Применение альтернативных топлив может значительно помочь решению этой задачи, а также решение проблемы загрязнения автомобилями окружающей среды. В связи с этим во всех промышленно развитых странах мира широко развернуты рабо- ты по поиску эффективных заменителей топлив нефтяного происхождения. Несколько про- грамм перевода ДВС на альтернативные топлива разрабатываются в США. Так, вначале 2003г. более чем 520 тыс. автомобилей в США работали на этаноле, метаноле и биогазе, в Швеции начался выпуск автомобиля Volvo S-80 Bi-Fuel, который работает как на бензине, так и на биогазе. Но наибольших успехов в этом направлении достиг Китай, где 80 % сель- ских и 60 % городских перевозок осуществляются на биогазе. Кроме того, Китай экспорти- рует специальные ДВС, работающих на биогазе, в 20 стран мира [7]. Анализируя состояние с использованием моторных топлив, делаем вывод, что такими топливами уже в ближайшее время могут быть: этанол, метанол, рапсовое масло, биогаз. Все альтернативные топлива можно классифицировать по следующим признакам [5, 8, 9]: по составу - углеводородные, углеводно-кислотные спирты, водородные, спирты, уголь- ный порошок и др.; по агрегатному состоянию - жидкие, газообразные, твердые, смешанные; по калорийности - высококалорийные, средне калорийные, низкокалорийные; по способу применения - в виде добавок к нефтяным топливам; по источникам сырья - полученные из угля, торфа, сланцев, биомассы, воды и др.; за технологическими процессами получения - пиролиз, гидрогенизация, каталитическая конверсия, газификация, электролиз и др. Применение альтернативных топлив осуществляется в двух вариантах: частичная замена, то есть применение в качестве добавок; полная замена основного топлива. В ряде стран уже широко используются добавки спиртов к бензину, что позволяет зна- чительно уменьшить потребление последнего [10]. Проводятся исследования по производ- ству синтетических бензинов из угля, сланцев и нефтяных песков, проводится также иссле- дование возможности использования в качестве топлива смеси бензина с 15% метанола и 7% изобутилового спирта, добавляется в качестве стабилизатора [11, 12]. Перспективным считается применение метил-трет-бутилового эфира (МТБЭ) в каче- стве присадки к бензину вместо токсического тетраэтилсвинец. Несмотря на то, что теорети- чески и экспериментально доказано целесообразность использования в качестве моторного топлива водорода, он пока ценный. Кроме того, не до конца решена проблема его рацио- нального хранения на борту автомобиля [11, 12]. Газовые топлива первыми получили распространение как моторные топлива, состав- ляющих альтернативу традиционным. Известно несколько видов альтернативных топлив, которые можно и целесообразно использовать в России как автомобильные топлива, а имен- но: нефтяной газ, природный газ, генераторный газ, водород, биогаз, этанол и рапсовое мас- ло (таблица 1). Таблица 1 Свойства наиболее перспективных альтернативных топлив по сравнению с традиционными топливами Показатели Ед. изм. Бензин Природный газ Биогаз Этанол Метанол Рапсовое масло Низшая теплота сгорания, Нu кДж/кг 44000 33802.6 29850 41900 21500 37100 Высшая теплота сгорания, Н0 кДж/м3 34500-35600 32186 32300 - 26230 39500 Границы зажигания в смеси с воздухом по коэффициенту избытка воздуха - 0,29-1,18 - 0,65-1,88 0,9-1,1 0,7-2,0 - Температура самовоспламе- нения °С 467-527 640-680 685-747 423 464 329 Теоретически необходимое количество воздуха для сгора- ния топлива м3/кг 12,35 9,52 - 6,53 6,45 12,6 температура кипения °С 33-168 - -161,3 365 338 плотность кг/м3 700-760 0,717 0,71-0,74 0,75 0,791 0,877 октановое число - 76-98 110 126 125 125 - Нефтяной газ - бутан-пропановая смесь, используется преимущественно в сжиженном состоянии (СНГ). Ее октановое число составляет 90 - 100 ед. Низшая теплота сгорания 24800 кДж/кг. Применение ее вместо бензина значительно уменьшает содержание вредных ве- ществ в ОГ автомобиля СО - в 2 раза, CnHn - в 1,3...1,9 раза, NOx - в 1,2 раза. Природный газ - автомобилестроители уже разработали и построили значительное ко- личество автомобилей, работающих на природном газе. Это объясняется, прежде всего, тем, что современные ДВС для перевода на природный газ требуют лишь небольшие конструк- тивные изменения в системе питания топливом, в установке угла опережения зажигания и в системе смазки. Для обеспечения достаточного запаса газа на борту автомобиля он предварительно должен быть компримирован (КПГ) или сжиженным (СПГ). Октановое число при- родного газа составляет 100 - 110 единиц, низшая теплота сгорания - 32 - 36 мДж/кг. При эксплуатации двигателей на природном газе существенно уменьшается токсичность по СО - в 4 - 6 раз, по CnHn - в 1,3 - 1,9 раза, по NOx - в 1,3 раза; в газодизель - дымность на 50 - 70% меньше, чем в дизелях, содержание канцерогенных веществ уменьшается в 5 - 7,5 раз, NOx остается на том же уровне, что и в дизеле, но в газодизель больше выбросов CnHn и аль- дегидов. Необходимость быстрого перехода на газовые альтернативные топлива, связана с пере- оборудованием топливной аппаратуры существующих транспортных средств (ТС), которая дает возможность работать на двух видах топлива - бензине и газе (в зависимости от их наличия). Но при этом ухудшаются энергетические показатели ТС на 15 - 20%. Для сокра- щения таких расходов необходимо изготавливать ДВС, предназначенные только для газово- го топлива. Во многих странах мира (США, Канада, Новая Зеландия, Аргентина, Нидерланды, Франция, Китай и др.) перевод ТС на работу на газовом топливе поднят до ранга государ- ственной политики как путь к экологизации автотранспорта. Для чего разработаны и внед- ряются нормативно - законодательные базы: ценовая, налоговая, тарифная, кредитная. Такая политика дает ощутимые результаты. Так, в Нидерландах 50%, в Италии - более 20%, в Ав- стрии - 95%, в Дании - 87% автобусного парка работает на газовом топливе. США планиро- вали в 2010 году довести использование природного газа на ТС до 57% , а пропан-бутановой смеси - до 31% [13]. Генераторный газ или синтез-газ (ГГ). Его получают на борту транспортного средства в реакторе (генераторе) в результате преобразования в газовое состояние твердого топлива: древесного угля, каменного угля, торфа, древесины и др. Состоит из 50% водорода и 50% оксида углерода. Отличительной особенностью его является, то, что он получается с обнов- ляющимся источником энергии и для его хранения на борту ТС требуются значительно меньшие емкости, что значительно увеличивает грузоподъемность этого ТС. Для продуциро- вания ГГ на борту ТС привлекается энергия системы охлаждения, которая в обычном ТС рассеивается в окружающую среду, то есть уменьшается тепловое загрязнение атмосферы и частично утилизируется теплота сгорания. По сравнению с природным газом ГГ сгорает медленнее и имеет более низкую теплоту сгорания 16,8...21,0 мДж/кг. Его октановое число составляет 90 - 95 единиц. То есть работа на нем связана с крупнейшими потерями технико-экономических показателей ДВС. Водород. Наиболее экологически чистое топливо с неограниченными запасами в при- роде: Н2 входит в состав 90% компонентов, имеющихся в окружающей среде, и более, чем в треть компонентов на поверхности земли. Его основные недостатки в качестве топлива при применении на ТС: высокая энергия, которая нужна для его сжатия, и очень низкая удельная энергоемкость. Есть проблемы и с хранением его на борту автомобиля, особенно в криоген- ных баках, но главная проблема - высокая стоимость его получения. Более перспективным является применение водорода на ТС в виде топливных элемен- тов, особенно с применением протонных обменных мембран (Proton exchange membrane). Первые автомобили с топливными элементами уже продемонстрировали фирмы Toyota, Honda, Volkswagen, BMW, Nissan, Hyundai, но для налаживания их промышленного произ- водства требуется время. Биогаз. Сравнительно новое, перспективное, экологически чистое и экономически вы- годное моторное топливо для транспортных установок. По данным шведских и швейцарских ученых, биогаз на 75% чище дизельного топлива и на 50% чище бензина. В состав биогаза входит: метан СН4 (60 - 70%), диоксид углерода СО2 (до 30%), а так- же в малых количествах оксид углерода СО, водород Н2, азот N2, кислород О2, воздух, водя- ной пар Н2О, и сернистый водород Н2S. Перед применением в ДВС биогаз лучше подвергать обогащению до уровня метана 95%, очистке, сушке и компримированию. Энергетический эквивалент биогаза составляет 9 - 10 (кВт·ч/м3). Физико-химические и экологические свойства обогащенного и очищенного биогаза и природного газа практически идентичны, поэтому для них может применяться од- на и таже топливная аппаратура. Есть только одно отличие между природным газом и биога- зом: при сгорании последнего в атмосферу выбрасывается такое же количество СО2, которой был из него удален при переработке. Еще биогаз считается абсолютно сбалансированным биологическим топливом. Согласно Европейским планам, биогаз будет использоваться, прежде всего, на авто- транспорте, который обслуживает сельские и пригородные районы. Кстати, в Западной Ев- ропе биогазом уже отапливается не менее половины птицеферм, причем сырьем для отопи- тельных установок являются обычные отходы тех же птицеферм. Благодаря биогазу потреб- ности западноевропейского животноводства в топливе за последние десять лет сократились более чем на треть. Лидером по использованию биогаза является Китай, который еще в 70-е годы XX в. со- вершил «большой биогазовый скачок», в результате которого более 60% всего автобусного парка страны, в том числе в сельской местности, сейчас работает на биогазе. Производство биогазовых двигателей в Китае к концу 80-х годов XX в. было засекречено. Сейчас Китай экспортирует их более чем в 20 стран мира [14]. Ученые подсчитали, что только в мировом сельском хозяйстве накапливается столько отходов, что их энергопотенциал может дважды покрыть общемировой спрос на энергию [32]. Этанол. Одно из наиболее практичных альтернативных топлив. Чистый этанол или смесь этанола и бензина могут применяться в ДВС, предназначенных для работы на бензи- нах, например Chevrolet Suburban / Tahoe, GMC Wicon и др. В США сейчас объем потребле- ния этанола - бензиновой смеси составляет до 10% от общего объема использования бензи- на. Главные преимущества топлива на базе этанола: во-первых, при сгорании образуется меньше токсичных веществ, во-вторых, при сгорании снижается содержание озона в воздухе. Недостатками этанола в качестве моторного топлива является его низкая энергоемкость (таблица 1), более высокая стоимость по сравнению с бензином и меньшая продолжительность пробега на одной заправке. Рапсовое масло. Среди стран Европы рапсу уделяют наибольшее внимание Германия, Франция, Бельгия, Италия, Польша. При сгорании топлива из рапсового масла выхлопные газы содержат на 20 - 25% меньше вредных веществ, значительно меньше серы, а круговорот СО2 значительно умень- шает угрозу парникового эффекта. Свойства МЭСМ отличаются от аналогичных свойств дизельного топлива (меньшее значение Hu, больше плотность, коэффициент поверхностного натяжения и проч.). Поэтому для эффективного использования МЭСМ в качестве биотоплива необходимо изменить неко- торые конструктивные и регулировочные параметры дизеля. Выводы Одним из наиболее перспективных альтернативных топлив является биогаз. Сравнитель- но новое, перспективное, экологически чистое и экономически выгодное моторное топ- ливо для транспортных установок. По данным шведских и швейцарских ученых, биогаз на 75 % чище дизельного топлива и на 50 % чище бензина. Перевод части автомобильного транспорта на альтернативные виды топлива позволило бы решить проблему топливоснабжения автомобильного транспорта в отдалённых райо- нах. При этом экономились бы большие средства за счёт существенного снижения объё- мов топлива, поставляемого в эти районы. Химический состав биогаза требует его очистки перед использованием в качестве топли- ва для ДВС. При производстве биогаза можно параллельно решать проблемы с продовольствием (за счет получения высококачественных удобрений).

About the authors

L. B Larionov

North-Eastern Federal University

P. A Boloev

Irkutsk State Agrarian Universit

Dr.Eng.

P. I Iliin

Irkutsk State Agrarian Universit

A. N Kabanov

Kharkiv National Automobile and Highway University

Ph.D.

I. V Siryaeva

Zabaikalsk Agrarian Institute (branch of Irkutsk State Agrarian University

Email: siryeva2011@mail.ru

E. O Palamodov

Zabaikalsk Agrarian Institute (branch of Irkutsk State Agrarian University

Ph.D.

References

Supplementary files