Источник: Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия / Серия наука и техника - электронный ресурс

АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ТРАНСПОРТНЫЕ ТОПЛИВА

ДонНТУ> Портал магистров ДонНТУ > Автореферат Биография Библиотека Отчет о поиске Индивидуальное задание Ссылки

В настоящее время, приблизительно 80 % всемирного спроса на транспортные топлива - дороги, рельс, воздуха и моря - встречаются производными от топлива ископаемых до нефти. Бензин, одна из главных производных нефти, используется во всем мире как топливо для машин.

Другие производные нефти, включая дизельный и жидкий нефтяной газ, могут использоваться в автомашинах, поскольку являются альтернативой бензину, как сжатый природный газ, который часто происходит в соединении с нефтяными депозитами. Некоторые альтернативы получены не из ископаемых, или частично возобновимы, источники типа зерна или других сельскохозяйственных зерновых культур.

Главные альтернативы топлива ископаемых по отношению к бензину:
      - дизель
      - сжиженный нефтяной газ (сНГ)
      - сжатый природный газ (СПГ)
      - эфиры - метил третичный эфир бутила (МТЭБ), произведенный из природного газа и бутана
      - энергия угля/ нефти/ газа и метанола, произведенного из природного газа или угля,
      - метанол, произведенный из природного газа или угля,

и главные альтернативные топлива не из ископаемых:
      - этанол
      - водород

Хотя приблизительно восемь миллионов транспортных средств во всем мире в настоящее время работают на смесях, содержащих альтернативные топлива, маловероятно, что любое из этих топлив достигнет всемирного использования в обозримом будущем, так как бензин, прежде всего, потому что они слишком дороги.

Однако из - за беспокойства о воздействии топлив окаменелости на окружающую среду, ведутся поиски подходящих альтернатив.

НЕФТЬ
Нефть, которую также называют сырой нефтью, найдена в подземных месторождениях во всем мире и содержит до 300 соединений водорода и углерода, или углеводородов, так же как серы и азота. Ее элементный состав довольно постоянен:
      - углерод - 83 to 87%
      - водород - 10 to 14%
      - азот - 0.1 to 2%
      - кислород - 0.05 to 1.5%
      - сера - 0.05 to 6%

Бензин - производная нефти. Это - по существу сложная смесь углеводородов, которая кипит ниже 180o C. Элементы углеводорода - те, которые имеют 4 - 12 углеродистых атомов в своей структуре разрушаются до трех общих типов:
      - парафины, типа гексана (C6H14), и октана (C8H18)
      - олефины, типа гексена (C6H12)
      - ароматические, типа бензола (C6H6) и толуола

Бензин состоит из смеси более чем 200 таких углеводородов, естественно встречающихся в нефти. Бензин может изменяться значительно по составу, в зависимости от источника первоначальной сырой нефти, и процессов, используемых в производстве.

При избытке кислорода, углеводороды могут быть сожжены, до образования CO2 и водяного пара, с большим выделением тепла.

Уравнение для полного сгорания гексана:
2C6H14+19O2 = 12CO2+14H2O

для октана:
2C8H18+25O2 = 16CO2+18H2O

для гексена:
2C6H12+18O2 = 12CO2+12H2O

для бензола:
2C6H6+15O2 = 12CO2+6H2O

При недостатке кислорода - возможно неполное сгорание, с образованием угарного газа, окиси азота и углерода, а так же углекислого газа и воды.

Выхлопные газы от автомобилей, работающих на бензине включают: CO2 и водяной пар, углеводороды, окиси азота и углерода, причем, все эти выбросы могут быть значительно уменьшены, благодаря каталитическому нейтрализатору с тремя слоями, который конвертирует эти выхлопные газы в менее токсические вещества.

Так же в атмосферный воздух попадают пары углеводородов при заправке автомобилей. Эти выбросы могут быть уменьшены, при использовании углеродистых канистр, содержащих активированный древесный уголь, который поглощает эти пары.

Важный элемент в эффективности сгорания бензина – октановое число, что определяет способность топлива сопротивляться взрыву. Такой взрыв вызван непосредственным зажиганием топлива и воздуха в машинных цилиндрах прежде, чем искра запущена.

Большинство автомобилей сегодня, работают на бензине, потому что это - относительно дешевое, удобное, безопасное и надежное топливо, которое приводит к хорошей и мощной работе транспортного средства.

ДИЗЕЛЬ
Дизельные топлива частично получены при дистилляции сырой нефти, а так же при других каталитических методах. Дизель состоит из углеводородов, температура кипения которых 150 - 400oC. Дизель обычно изготавливают, смешиванием двух или больше потоков: легкой газовой нефтяной фазы и тяжелой (керосина).

Дизельные топлива включают: смесь парафинов, ароматических и олефатических углеводородов. Дизель в основном состоит из углеводородов, содержащих 12 или более атомов углерода. Они более тяжелые, чем компоненты бензина, и таким образом это - более устойчивое топливо.

Сгорание дизеля подобно сгоранию бензина, с разнообразием углеводородов, взаимодействующих с кислородом до образования CO2 и паров воды. Разница состоит в типе двигателя, требуемого для процесса сгорания. Дизельное топливо вводится в камеру сгорания в виде аэрозоли. Следовательно, дизельный двигатель характеризуется более низким потреблением топлива, чем эквивалентный бензиновый двигатель.

Для эффективной работы автомобиля требуется, чтобы дизельное топливо имело хорошее воспламенение - в частности, оно, должно иметь короткий период задержки воспламенения.

Дизельная система сгорания очень эффективна – выбросы оксида углерода и углеводородов значительно ниже, чем от бензиновых двигателей, хотя при использовании каталитических нейтрализаторов в бензиновых транспортных средствах, значительно уменьшается преимущество дизеля. Дизельные топлива также выделяют меньшее количество CO2 на километр, так же наблюдается низкая эмиссия бензола, бутадиена и формальдегида.

В дизельных топливах и выхлопных газах содержится довольно высокий процент серы. С другой стороны любое радикальное сокращение уровней серы увеличит количество отказов автомобилей, сократит период эксплуатации автомобиля.

Дизельные топлива намного выгоднее, чем бензины с экономической точки зрения, однако затраты на дизельный двигатель намного выше, чем на эквивалентный бензиновый, вследствие более высоких требований к процессу сжигания.

СЖИЖЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ГАЗ (СНГ)
СНГ часто производится из сырого природного газа, вследствие очистки его очистки.

СНГ - смесь легких углеводородов, которые являются газообразными при нормальных температурах и давлениях, и которые сгорают при умеренном давлении и более низкой температуре. Так как СНГ без запаха, то вследствие соображений экологической безопасности, к нему добавляют меркаптан для избежания любых утечек.

Главные составляющие газы СНГ:
      - пропан (C3H3)
      - пропилен (C3H6)
      - бутан (C4H10)

При горении для каждого газа протекают различные реакции:

для пропана:
C3H8+5O2 = 3CO2+4H2O

для пропилена:
C3H6+9O2 = 6CO2+6H2O

для бутана:
C4H10+13O2 = 8CO2+10H2O

Использование СНГ получило широкое распространение в Австралии: приблизительно 250 000 транспортных средств работают на сжиженном нефтяном газе, и, приблизительно 180 000 из них являются частными.

Выбросы загрязняющих веществ при работе на СНГ приблизительно ни 15% ниже, чем у двигателя, работающего на бензине

Сравнение уровней вредных газовых выбросов от СНГ и бензиновых транспортных средств являются неокончательными, с испытательными результатами, так как испытания до сих пор проводятся и имеют весьма противоречивые результаты.

СЖАТЫЙ ПРИРОДНЫЙ ГАЗ (СПГ)
Природный газ состоит из смеси газов, главным образом из углеводородов, найденных в геологических формированиях. Метан - основной компонент, процент содержания которого может достигать 97% в зависимости от источника газа.

В дополнение к метану (CH4), природный газ также содержит небольшие проценты следующих компонентов:
      - этан (C2H6)
      - пропан (C3H8)
      - бутан (C4H10)
      - пентан (C5H12)
      - азот, кислород и углекислый газ

При горении протекает следующая реакция::
CH4+2O2 = CO2+2H2O

Из-за высокого октанового числа, СПГ - превосходное топливо для двигателей внутреннего сгорания, причем, так же не составит особого труда и преобразование бензиновых двигателей. Но существует опасность утечки при некачественном обслуживании и обязательных частых дозаправок, а СПГ еще более вреден для человека и окружающей природной среды, чем выбросы CO.

Так же выбросы от автомобилей, работающих на СПГ, зависят от качества преобразования двигателя. В более старых автомобилях, без каталитических нейтрализаторов, после преобразования выбросы СО, оксидов азота и углеводорода значительно уменьшаются по сравнению с аналогичным бензиновым двигателем. В автомобилях, работающих на бензинах, но с катализаторами выбросы вредных веществ практически не будут отличаться от выбросов автомобилей, двигатели которых работают на СПГ.

Использование СПГ существенно уменьшит выбросы макрочастиц, особенно от двигателя изначально работающего на нем, а не преобразованного, которые теперь стали доступными для автобусов и грузовых автомобилей. Ожидается, что в скором будущем, эти двигатели прочно закрепятся в использовании для городского транспорта, так как они наиболее экологически чистые.

В настоящее время приблизительно полмиллиона транспортных средств работают на СПГ, главным образом в Италии, Новой Зеландии и Канаде. Преобразованные автомобили сохраняют и топливные баки, то есть питаются фактически двойственно. В связи с большой степенью сжатия и двойным питанием эффективность работы двигателя не увеличивается, соответственно высокое октановое число СПГ не используется в полной мере.

Так же проблему представляет и хранение СПГ – в связи с его низкой температурой кипения хранение должно осуществляться в резервуарах высокого давления, которые имеют относительно большую массу, тем самым, сокращая полезную грузоподъемность автомобиля. Например, автомобиль с 75 литровым резервуаром для СПГ, весит приблизительно 150 кг, что значительно больше, чем такой же автомобиль на бензине.

Главная неэкономичность СПГ состоит в преобразовании автомобиля и коротком диапазоне между дозаправками, что не очень удобно.

В настоящее время автобусы, работающие на СПГ более дорогие дизельные, но в ближайшем будущем ожидается перераспределение данной ценовой дифференциации.

МЕТАНОЛ
Метанол (CH3OH) прозрачный, жидкий спирт, который может быть изготовлен из сырой нефти, зерновых культур, а так же из древесных остатков непосредственно методом каталитического синтеза.
CO+2H2 = CH3OH

При сжигании метанола протекает следующая реакция:
CH3OH+3O2 = 2CO2+4H2O

В настоящее время метанол может быть использован в двигателях гоночных автомобилей, так как очень высокое октановое число подразумевает и двигатель много большей мощности, чем эквивалентный бензиновый.

Проблему представляет растворимость метанола в воде, поэтому метанол не может использоваться с бензином более чем в количестве 5 %, а если больше, то только с растворителями, во избежании относительного растворения стадий.

Метанол, как топливо, имеет огромный потенциал, с точки зрения уменьшения выбросов в атмосферный воздух.

Methanol is a high cost fuel compared with petrol, but relatively cheap compared with other options.

Хотя в основном выбросы автомобиля на метаноле в основном представлены СО, углеводородами и оксидами азота, но наблюдается значительное превышение по формальдегиду, по сравнению с бензином.

Метанол – топливо высокое по стоимости по сравнению с бензином, но относительно дешевое по сравнению с другими вариантами.

Метанол чрезвычайно ядовит и поэтому опасен в обращении, так же он обладает коррозионными свойствами, и поэтому обычные топливные системы требуют значительных модификаций.

ЭТАНОЛ
Этанол - сейчас наиболее широко используемое альтернативное топливо в мире, которое главным образом изготовлено из зерновых культур, которые содержат сахар (например сахарный тростник или сахарная свекла). При процессе брожения происходит преобразование сахара дрожжами в этанол и CO2:
C6H12O6 = 2C2H5OH+2CO2

Как и метанол, этанол требует меньшего количества кислорода для сгорания, чем бензин:
C2H5OH+3O2 = 2CO2+3H2O

Этанол может использоваться без добавок, но в связи с низкой температурой кипения холод может оказаться проблемой, которая легко устранима при смешении с бензином.

Положительным являются то, что этанол полностью возобновимый ресурс, в отличии от нефти, газа или угля, и в некоторых случаях может быть произведен из отходов.

However, there are drawbacks:
      - Как алкоголь, этанол содержит гидроксильную группу (ОН), представляя тем самым высокую близость с водой и затрудняя отделение от нее, что может стать экологической проблемой. Например, при разливе одинакового количества бензина и этанола в воде, бензин будет способен существовать самостоятельно, с видимым разделом фаз, чего нельзя сказать об этаноле, который просто растворяется в воде. Так как этанол производится из зерновых культур, то для их выращивания необходимы большие площади земли. На примере Австралии было оценено, что имеющееся количество земли, может обеспечить только 10% потребностей.
      - Выбросы СО в топливах алкоголя снижены, но повышенно количество альдегидов, которые раздражают слизистую оболочку глаз.

Для того, что бы достичь существенных сокращений вредных выбросов, этанол, так же как и метанол должны быть произведены из сырья, содержащего большую долю биомассы, поэтому необходимо отметить, что крупномасштабное производство технически и экономически невозможно.

При существующем производстве этанол получается в 2 - 3 раза дороже, чем бензин.

ВОДОРОД
Есть два вида сырья для водородного производства - вода и углеводороды типа метана.
      - Водород производится от воды гидролизом, используя электричество. Главный положительный аспект водорода - то, что есть почти безграничная поставка сырья для него, то есть воды.
      - водород производится при реакции углеводородов с паром. Это очень простой процесс, но следует учесть, что запасы углеводородов земли конечны.

Водород - самый легкий элемент во вселенной. При нормальных условиях, это газ без цвета, вкуса и запаха. При ограниченной температуре сгорание водорода представляет собой весьма экологический процесс:
2H2+O2 = 2H2O

Если же процесс горения происходит при более высоких температурах, то это приводит к образованию окислов азота, так как азот тоже находится в нагретом состоянии. Температуру процесса сгорания можно снизить при добавлении воздуха.

Поскольку водород, произведенный электролизом - косвенный пользователь электричества, которое наиболее часто получается из окаменелостей, то полный процесс производства может косвенно иметь значительные выбросы СО2, следовательно электричество используемое в его производстве должно быть произведено из возобновимых источников энергии.

В настоящее время водород используется как топливо только в космических ракетах. Однако, некоторые производители транспортных средств включили в производство и водородомобили, которые могут быть проверены как опытные образцы приблизительно через три года.

В Австралии, фирма Форд сотрудничала с Университетом Мельбурна в области изготовления водородного топлива, и первым испытателем был форд Кортина, а затем и форд Капри.

Главная техническая трудность с водородом - хранение. Для сжатой или жидкой формы, требуется тяжелый и дорогой резервуар. Или же металлические гидриды должны быть способны поглотить водород и десорбировать его при необходимости, так как это сделано фирмой Мазда.

Другие отрицательные стороны использования водорода:
      - Сжижение водорода является дорогостоящим, на фоне использования энергии.
      - безопасность – главная проблема при использовании и распределении, так как Водород очень огнеопасен по широкому диапазону отношений воздух - топливо, и быстро воспламеняется при высоких температурах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Бензин - несомненно, удобное топливо для автомобилей. Легко хранить и обращаться, и бензиновый топливный бак занимает небольшое место в автомобиле, но подобно другим видам топлива сильно горюч.

На стороне стоимости, за исключением дизельных топлив, альтернативные топлива в настоящее время не коммерчески жизнеспособны для использования в автомобилях в Австралии, ни действительно в других странах без некоторой формы правительственной помощи типа субсидий или тарифов. Стоимость использования альтернатив высока по сравнению с бензином. Текущие конкуренты бензина в Австралии - СНГ и СПГ - субсидированы через освобождение от правительственного акциза, сокращая их розничную цену на 40 центов за литр.

Использование альтернативных топлив также создает определенные проблемы. Как газы, водород, СПГ и СНГ имеют высокую опасность в хранении и при заправке. Метанол ядовит и - поэтому возможна опасность для здоровья, а так же он обладает коррозионной способностью для двигателей. Относительно безопасности, все топлива опасны, но при правильном проектировании риск может быть минимизирован и вероятно подобен для всех.

На первый взгляд, смешивание этанола с бензином, кажется, предлагает лучшую комбинацию удобства и безопасности, но это неэкономно и ограничено в поставке. Это уменьшает диапазон мощности транспортного средства, составляет некоторые проблемы для существующих автомобильных двигателей и приводит к выбросам компонентов, играющим роль в образовании смога, так же как и от бензина. В действительности, CПГ - топливо, которое, вероятно, проникнет в транспортный топливный рынок в ближайшее будущее, поскольку парк городского автотранспорта, прогрессивно использует CПГ, в связи с возможностью уменьшения выбросов макрочастиц.

ГЛАВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА


Вещество Бензин Дизель Метанол Этанол
Формула C4 - C12 C12 - C19 CH2OH C2H5OH
Состав, %
Углерод
Водород
Кислород
85-88
12-15
-
85-88
12-15
-
37,5
12,5
50,0
52,2
13,1
34,7
Стехиометрия
Воздух/Топливо
 14,5 to 1 14,5 to 1 6,5 to 1 9 to 1
Температура горения (oC) 27-225 185-380 65 78
Исследуемое октановое число 91-97 - 106-115 105-121
Моторное октановое число 82-88 - 82-92 90-95

ДонНТУ> Портал магистров ДонНТУ> Автореферат Биография Библиотека Отчет о поиске Индивидуальное задание Ссылки

Вверх