Альтернативные виды топлива. 7

 

 

 
 
 

 

 

   

 

 

  

 

 

  

 

 

                            

 

 

 

на тему: Альтернативные виды топлива.                                                               

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

В последнее время большое количество зарубежных научно-исследовательских центров моторостроительных фирм проводят исследования, направленные на экономию топлива и замену традиционных жидких углеводородных топлив новыми видами. Перед цивилизацией встал вопрос — как обеспечить имеющийся на сегодняшний день комфорт и сравнительно низкую стоимость передвижения по планете.

Одним из путей экологизации автомобильного транспорта является перевод его на альтернативные виды топлива. Под собирательным термином «альтернативные топлива» понимаются, в принципе, все вещества, способные гореть, которые с большим или меньшим успехом могут быть использованы вместо классических топлив из нефти и углей в двигателях внутреннего сгорания или в энергетических установках.

В последнее время большое количество зарубежных научно-исследовательских центров моторостроительных фирм проводят исследования, направленные на экономию топлива и замену традиционных жидких углеводородных топлив новыми видами.

Во многих странах все более популярным становится биологическое топливо, изготавливаемое из растительного сырья. В шести государствах ЕС, а также в США, Канаде, Бразилии, Малайзии такое биологическое топливо производят в промышленных масштабах, но все же его доля в топливном балансе не превышает 0,3%.   

 

 

  

 

 

 

 

 

 

СПИРТ КАК ТОПЛИВО

Этанол в качестве топлива для четырехтактного двигателя внутреннего сгорания в 1876 году применял немецкий изобретатель Николаус Отто, а в 1908 году Генри Форд предложил покупателям «жестянку Лиззи» Ford T с двигателем, работающим на этаноле, бензине или их смеси. Биоэтанол.  
    Биоэтанол – это обезвоженный этиловый спирт, изготовленный из биологически возобновляемого сырья. Есть три способа получения этилового спирта: сбраживанием пищевого сырья (переработкой содержащегося в сырье сахара в спирт при помощи дрожжей), гидролизом растительного сырья и гидратацией этилена (синтетический спирт).     

В качестве автомобильного топлива этанол по некоторым параметрам превосходит бензин. В нем гораздо меньше примесей (например, серы), а октановое число по исследовательскому методу достигает 125 единиц. Поэтому этанол иногда используют как высокооктановую добавку - например, «92» бензин с десятью процентами этанола становится «95».

Однако теплотворная способность этанола существенно ниже «бензиновой» (21,2 кДж/л против 31,9 кДж/л) - отсюда и более высокий расход топлива. Этанол очень гигроскопичен - при контакте с водой он «вымывается» из состава смеси, нарушая ее характеристики.

Из плюсов можно назвать запасы сырья разнообразны и практически неограниченны;  есть богатый опыт эксплуатации двигателей, работающих на спирте (Бразилия, Австралия); ниже токсичность выхлопных газов.

Минусы такого топлива нужно вносить конструктивные изменения в систему питания; мощность двигателя снижается, а расход горючего увеличивается; из-за гигроскопичности спирта могут ухудшаться пусковые свойства двигателя; дорогостоящее производство биоэтанола.

Метанол, более известен как метиловый (или древесный) спирт. Процесс получения основан на каталитической конверсии углеводородов природного, коксового и других углеводородсодержащих газов с водяным паром. Как самостоятельное горючее и в качестве добавок к бензину применяется редко и только для двигателей спортивных мотоциклов, не рассчитанных на длительную эксплуатацию. В то же время достаточно широко используется как сырье, из которого автомобили на топливных элементах черпают водород.

Плюсы: позволяет решить проблему хранения водорода и извлечения его по мере надобности; запасы сырья практически неограниченны; может использоваться как сырье  для производства синтетического  бензина. 

Минусы: очень токсичен (смертельная доза для человека – 30 миллилитров); вызывает коррозию деталей. 

 

 

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ТЕХНОЛОГИЯ БИОТОПЛИВА

Технологий производства биотоплива несколько. Одна из них - это переработка сельскохозяйственных отходов в топливо. Сырьем, для этого процесса, могут служить и куски древесины, солома, навоз. Производство именно такого топлива, получившее название SunDiesel, начала немецкая химическая компания Choren Industriers при поддержке концернов DaimlerChrysler и Volkswagen. После сушки отходы нагреваются до 400-500°С, выделившийся газ проходит ряд превращений в присутствии катализатора - и на выходе из реактора получается дизельное топливо без содержания серы и других вредных примесей. Кроме того, биодизельное топливо «СО2-нейтрально» по отношению к окружающей среде - при его сгорании в атмосферу возвращается та углекислота, что была поглощена растениями при росте. Чистота такой биосолярки тоже играет положительную роль - испытания показали, что она позволяет выполнять нормы токсичности Евро-4 даже тем двигателям, которые рассчитаны только на Евро-3. По оценкам авторов проекта, нынешние возможности сельского хозяйства Европы способны обеспечить таким топливом от половины до 80% всех легковых дизелей [2, 75с.].

Вторая - это добавление рапсового масла в дизельное топливо. Именно добавление, поскольку рапсовое масло в чистом виде как топливо не используется. Из-за более высокой вязкости (почти в 20 раз выше по сравнению с дизельным горючим) требуется другая топливная аппаратура и изменение камеры сгорания. В качестве горючего применяются сложные эфиры рапсового масла, добавляемые в количестве от 5 до 30% в дизельное топливо или используемые самостоятельно (биодизель). Интересно, что в ходе переработки масла в биодизель получают ряд дополнительных продуктов, пользующихся спросом (например, глицерин, сульфат калия).

Плюсами являются: меньше выбросы вредных веществ; запасы сырья могут возобновляться  ежегодно, культура не требует  особого ухода в процессе выращивания; в ходе переработки масла  получают дополнительные продукты (глицерин, сульфат натрия).

Среди минусов: себестоимость производства выше, чем бензина и дизтоплива; требуются дополнительные площади сельскохозяйственных земель; эфиры рапсового масла обладают значительной коррозионной активностью; ниже мощность двигателя и выше расход горючего. 

Третий вид биологического топлива - синтетическое горючее. Современные технологии переработки углеводородов позволяют производить синтетическое дизельное топливо и синтетический бензин. В качестве сырья используются отходы деревообрабатывающей промышленности, сельского хозяйства и даже бытовой мусор. Особенности разработанных технологических процессов заключаются в том, что из одного и того же сырья могут получаться различные виды топлива. Первое в мире синтетическое дизельное топливо, в 2003-м году, разработала корпорация DaimlerChrysler. Новое топливо, которое разработчики назвали BIOTROLL, производится из древесных отходов, а при его сгорании в атмосферу вообще не выбрасывается углекислый газ. Биотопливо можно смешивать с обычной соляркой, улучшая экологические показатели дизельных двигателей, однако пока не получены точные данные о том, возможна ли эксплуатация современных дизельных двигателей только на новом виде топлива без проведения каких-либо доработок. Первая заправка, на которой можно пополнить баки новым топливом, уже функционирует в Штутгарте.

Плюсы биологического топлива в том, что его можно получить требуемые характеристики топлива; в синтетическом дизтопливе отсутствует сера; выбросы вредных веществ ниже, чем при использовании «нефтяного» горючего; запасы сырья неограниченны.

Среди минусов можно отметить: высокие затраты энергии для производства горючего; необходимы  значительные  вложения  средств для создания предприятий  по выпуску синтетического топлива  и создание структуры накопления, поставки и подготовки сырья.  

 

 

 

ТЕХНОЛОГИЯ ГАЗА

На газе (светильном) поршневые двигатели внутреннего сгорания работали еще в доавтомобильную эпоху. Теперь для питания автомобильных двигателей используют два различных типа газообразного топлива - метан или пропан-бутановую смесь.

Сжатый газ (метан, природный газ, биогаз) достаточно давно используется как горючее. Так как запасы метана практически неограниченны, он очень дешев. Возможно переоборудование для работы на метане практически любых бензиновых двигателей (карбюраторных, инжекторных) и даже дизельных (хотя объем доработок последних существенно выше и это не всегда экономически целесообразно). Кроме традиционной добычи газа, метан можно получать при переработке органических отходов (биогаз). Но при использовании метана в качестве моторного топлива возникает одна проблема - компактно его можно хранить только в сжатом виде под давлением в 250 атмосфер, для чего нужны очень прочные баллоны. Если делать их из стали, то придется возить с собой батарею баллонов весом до полутора тонн - такой балласт могут взять на борт только грузовики и автобусы, да и то ценой существенного уменьшения грузоподъемности. А ведь при малейших утечках есть еще и проблемы взрывобезопасности.

Плюсы: значительные запасы и возможность получения из возобновляемых источников; меньше токсичность выхлопных газов; конструктивные изменения в  бензиновых автомобилях незначительные, но больше, чем при переоборудовании  на сжиженный газ. 

Минусы: большие, тяжелые и дорогостоящие газовые баллоны; более высокая по сравнению  с переоборудованием на сжиженный газ стоимость работы; при транспортировке природного  газа возможны его утечки.  

Сжиженный газ - вид моторного газообразного топлива. Это пропан-бутановая смесь - сопутствующий газ, который получают при добыче и переработке нефти (продукты стабилизации газового конденсата, попутный газ при добыче нефти и природный газ (при его переработке). Пропан-бутан можно хранить в сжиженном виде под давлением в 16 атмосфер, а стальной баллон емкостью 50-80 л, который вполне подойдет для обычного легкового автомобиля, весит не более 40-70 килограммов. Как и дизельное топливо, пропан-бутановая смесь бывает летней и зимней, и вызвано это разделение тоже особенностями сезонной эксплуатации. Запуск карбюраторного двигателя на газе возможен и при отрицательных температурах. Пропан имеет октановое число 110, а бутан - 95, поэтому октановое число пропан-бутана может варьироваться от 99 до 106.   

 Еще одним видом  сжиженного газа является диметиловый  эфир, который, в ближайшие годы, может стать основной альтернативой дизельному топливу. Диметилэфир - это сжиженный газ, который вырабатывается из природного метана. Он характеризуется высоким цетановым числом (55-60 против 40-55 у нефтяного дизельного топлива) и полным отсутствием сажи в выхлопе. Для использования этого вида топлива не придется создавать новую инфраструктуру АЗС - достаточно сделать их двухтопливными, а на машину поставить комплект газовой аппаратуры.

Плюсами могут быть цены ниже, чем на бензин (но выше, чем на сжатый газ); возможно переоборудование практически любых бензиновых двигателей внутреннего сгорания; наличие дополнительной топливной системы; меньше токсичность отработавших газов;

Минусы: при температуре ниже 0°С необходим запуск и прогрев на бензине; запасы ограничены; дополнительные расходы на  установку и обслуживание.

 

 

 

 

 

 

 

ПОЛУЧЕНИЕ ВОДОРОДА  

Тезис «водород - топливо будущего» звучит всё чаще. Большинство крупных автопроизводителей проводит опыты с топливными элементами. Такие экспериментальные автомобили в большом количестве мелькают на выставках. На данный момент существуют два вида применения водорода в автомобилях. Первый - это топливные элементы.

Ещё один путь внедрения водорода на автотранспорте - сжигание его в ДВС. Такой подход исповедуют BMW и Mazda. Японские и немецкие инженеры видят в этом свои преимущества. BMW и Mazda предлагают сохранить в автомобиле возможность ездить на бензине (по аналогии с распространёнными ныне двухтопливными машинами (бензин/газ).

Перевод на водород обычных двигателей внутреннего сгорания не только делает их чистыми, но и повышает термический КПД и улучшает гибкость работы. Дело в том, что водород обладает намного более широким, по сравнению с бензином, диапазоном пропорций смешивания его с воздухом, при которых ещё возможен поджиг смеси. И сгорает водород полнее, даже вблизи стенок цилиндра, где в бензиновых двигателях обычно остаётся несгоревшая рабочая смесь. Физические свойства водорода существенно отличаются от таковых у бензина.

Показанные BMW и Mazda водородные автомобили сочетают привычную для владельцев обычных авто высокую динамику с нулевым выхлопом. А главное - они куда лучше приспособлены к массовому производству, чем «ультраинновационные» машины на топливных элементах.

Ближе к серийному производству топливные системы с баками, в которых водород хранится в газообразном виде под высоким давлением (300-350 атмосфер), либо в жидком виде, при сравнительно невысоком давлении, но низкой (253 градуса Цельсия ниже нуля) температуре. Соответственно, в первом случае нам нужен баллон, рассчитанный на высокое давление, а во втором - мощнейшая теплоизоляция. 

Первый вариант более опасен, но зато в таком баке водород может сохраняться долго. Во втором случае безопасность куда выше, но на неделю-другую водородный автомобиль на стоянку не поставишь. Точнее, поставишь, но водород хоть медленно, но будет нагреваться. Давление вырастет, и предохранительный клапан начнёт стравливать дорогое топливо в атмосферу. Mazda выбрала вариант с баком высокого давления, BMW - с жидким водородом.  

Немцы понимают все недостатки своей схемы, но сейчас BMW уже экспериментирует с необычной системой хранения, которую будет ставить на следующие свои водородные машины. Пока автомобиль эксплуатируется, из окружающей атмосферы вырабатывается жидкий воздух и закачивается в промежуток между стенками водородного бака и внешней теплоизоляцией. В таком баке водород почти не нагревается. Итак, BMW и Mazda нанесли двойной удар по стану сторонников топливных элементов. Хотя стоимость последних постоянно снижается, а технологии совершенствуются, не исключено, что именно серийные двигатели внутреннего сгорания на водороде откроют новую эру на дорогах планеты.  

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

 

АВТОМОБИЛИ НА АККУМУЛЯТОРАХ  

Электромобиль почти не дает выброса вредных веществ. Ядовитых газов, попадающих в атмосферу при зарядке и разрядке аккумуляторных батарей, несравненно меньше, чем при работе двигателей внутреннего сгорания. Чтобы отапливать электромобили зимой, на них устанавливают автономные обогреватели, потребляющие бензин или дизельное топливо. Но они, понятно, не загрязняют атмосферу так сильно, как двигатели внутреннего сгорания.

Второе преимущество - простота устройства. Электродвигатель обладает очень привлекательной для транспортных средств характеристикой: на малых скоростях вращения у него большой крутящий момент, что очень важно, когда нужно тронуться с места или преодолеть трудный участок дороги. Двигатель внутреннего сгорания же развивает максимальный крутящий момент при средних оборотах, поэтому, если требуется большое усилие на малых, его приходится увеличивать с помощью коробки передач. Троллейбусы, например, в таком агрегате не нуждаются. Не требуется он и электромобилю, поэтому управлять им проще, чем автомобилем с механической коробкой передач.

Третье преимущество вытекает из второго. Электромобиль не требует столь тщательного ухода, как обычное авто: меньше регулировок, не потребляет много масла, проще система охлаждения, а топливная вообще отсутствует. И все же электромобиль устроен не так просто, как может показаться: ему необходимы сложные преобразователи напряжения и много тяжелых и громоздких аккумуляторов, которые трудно разместить. Главный же недостаток, который сдерживает внедрение электромобилей, - малая энергоемкость батарей. Батареи весят обычно больше 100 кг (а то и несколько сотен), а пробег не превышает 100 км, причем при движении с небольшой скоростью. 

 

 

 

ГИБРИДНЫЙ ПРИВОД

Автомобиль, приводимый в движение системой электродвигатель-двигатель внутреннего сгорания, на основе использования как обычного топлива, так и заряда электрического аккумулятора.

Главное преимущество гибридного автомобиля - снижение расхода топлива и вредных выхлопов. Это достигается полным автоматическим управлением режима работы системы двигателей с помощью бортового компьютера, начиная от своевременного отключения двигателя внутреннего сгорания во время остановки в транспортном потоке, с возможностью продолжения движения без его запуска, исключительно на энергии аккумуляторной батареи, и заканчивая сложным механизмом рекуперации - использования электродвигателя как генератора электрического тока, для пополнения заряда аккумуляторов, при этом электродвигатель вызывает активное сопротивление, и торможение автомобиля.

Есть два основных принципа построения гибридных силовых установок - параллельный и последовательный. В первом случае ведущие колеса приводятся и бензиновым двигателем, и электромотором, а силовому агрегату необходима обычная трансмиссия.

При последовательной схеме двигатель внутреннего сгорания приводит только генератор, а ведущие колеса вращаются только с помощью тяговых электромоторов.  

 

 

  

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Альтернативные  виды топлива – это не только та экзотика, которая позволяет улучшить экологию или продемонстрировать новые направления в энергетике. Все рекомендации по внедрению альтернативных источников энергии основываются сугубо на экономической целесообразности и экологической целесообразности.

Альтернативные  топлива, получают в основном из сырья не нефтяного происхождения, применяют для сокращения потребления нефти. Главные виды альтернативного топлива: сжиженные и сжатые горючие газы (метан); спирты, продукты их переработки и смеси с бензином (метанол, метил-третбутиловый эфир); топливные смеси (водно-угольные); синтетическое жидкое топливо; водород.

Биотопливо производится из органических материалов, типа пшеницы, сои.

Альтернативные виды топлива можно классифицировать следующим образом:

- по составу: углеводородно-кислотные  (спирты), эфиры, эстеры, водородные  топлива с добавками;

- по агрегатному состоянию: жидкие, газообразные, твердые;

- по объемам использования: целиком,  в качестве добавок;

- по источникам сырья: из угля, торфа, сланцев, биомассы, горючего  газа, электроэнергии и др. Рассмотрим каждый из наиболее распространенных видов альтернативного топлива более подробно.

Использование альтернативных видов топлива, значительно экологичнее, а его стоимость в объеме, эквивалентном 1 литру бензина, составляет намного  меньше.

 

 

  

 

 

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Беляев В.В. Топлива  для современных и перспективных автомобилей. Учебное пособие. - Петрозаводский Гос. университет, 2010. - 236 с.
2. Весенгириев М. Вода вместо бензина, водородное топливо в баке. Статья журнала «ЭКОТОК» [электронный ресурс] http://www.ecotoc.ru/liquid_biofuel/hydrogen_fuel/d127/ (дата обращения 18.04.2015г.)
3. Доманов В.А. Альтернатива бензину. Монография. [электронный ресурс] http://www.map.asmap.ru/4(68)_06/toplivo.htm (дата обращения 18.04.2015г.)
4. Кузнецов Ю.А. Альтернативные виды топлива [электронный ресурс] http://www.akpspb.ru/blog/perspektivnye_napravleniya/alternativnye_vidy_topliva/(дата обращения 18.04.2015г.)
5. Русяйкин Е. О., Кулинский Д. П. Альтернативные виды топлива для двигателей внутреннего сгорания. Доклад [электронный ресурс] http://www.rae.ru/ (дата обращения 18.04.2015г.)