4.8. Альтернативные виды
моторных топлив

К альтернативным видам топлив относят: смеси традиционных топлив с кислородсодержащими соединениями, сжатый природный газ (СПГ) и сжиженные нефтяные газы (СНГ), электричество и солнечную энергию. Что касается последних, то их широкое применение на автотранспорте требует значительных объемов производства дешевого водорода и станет, вероятно, возможным в дальнейшем.

Целый ряд проблем позволяет решать использование в качестве моторного топлива СПГ и СНГ, так как они состоят из легких углеводородов и в них отсутствуют соединения, активно участвующие в образования смога и озона. Испытания автомобилей, работающих на газе, показывают значительное снижение выбросов оксида углерода, оксидов азота и углеводородов (табл. 4.58).

Таблица 4.58

Уменьшение выбросов при использовании альтернативного топлива по сравнению с бензином

438

Применение СПГ в качестве моторного топлива на существующих моделях автомобилей может обеспечить уменьшение выбросов углеводородов на 50-90%. Выбросы оксида углерода также сокращаются на 30-90%. Однако выбросы оксидов азота не только уменьшаются, но могут возрасти. Применение природного газа имеет и другие недостатки, в том числе высокие затраты при модификации обычных моделей автомобилей и уменьшение мощности двигателя на 7-10%.

Основная трудноразрешимая проблема при широком применении СПГ и СНГ связана с условиями хранения газов. Так, при использовании СПГ необходимы топливные резервуары (баллоны), рассчитанные на давление свыше 21,0 МПа, а при СНГ - не менее 1,75 МПа. В обоих случаях необходимы специальные устройства заправки, а также соблюдение герметичности всех элементов топливной системы. Автомобили, работающие на газе, не полностью отвечают указанным выше требованиям. Поэтому особое внимание уделяется применению кислородсодержащих соединений в смеси и чистом виде.

Этанол традиционно используется в качестве компонента моторных топлив и составляет около 8% об. состава бензинового фонда США, что позволяет повысить октановый индекс на 0,1 пункта. Особый вклад в повышение октанового индекса делает применение так называемого газохола (смесь бензина с 10% этанола).

В табл. 4.59 представлены октановые числа спиртов - кислородсодержащих

Таблица 4.59

Октановые числа спиртов - кислородсодержащих добавок в регулярном и премиальном бензинах

439

добавок, применяемых в регулярном и премиальном бензинах США, не содержащих соединений свинца.

Наибольшее октановое число в регулярном бензине имеет метанол, но он обладает рядом существенных недостатков. Это, прежде всего, его способность впитывать в себя воду из воздуха, что приводит к коррозии и высокой испаряемости. Следующим по октановому числу идет этанол, который в качестве добавки широко применяется в США. Более тяжелые спирты также находят применение, однако по мере увеличения углеводородной группы октановое число спиртов падает. Большинство нефтяных компаний смешивают бензин с кислородсодержащими добавками, учитывая специфику районов, где они будут продавать свою продукцию. В районах с повышенным содержанием СО в воздухе количество кислорода в бензине должно составлять не менее 2,7%. В сельскохозяйственных штатах содержание кислорода в бензине должно быть не выше 2,0%, так как повышение концентрации кислорода в бензине обусловливает предельное количество озона в воздухе.

Кроме спиртов в качестве кислородсодержащих добавок применяются эфиры. Ниже приведены октановые числа эфиров, вводимых в регулярные бензины США: и. м./м. м./(и. м. + м. м.)/2:

Наибольшим октановым числом обладают первые два эфира, однако метил-трет-бутиловый эфир имеет наибольшее применение как добавка к бензину вследствие большей дешевизны и более легкого способа получения.

Показатель летучести этанола ниже, чем у метанола, но фотохимическая активность первого несколько выше. У спиртов в целом низкая атмосферная активность, но из-за наличия у них азеотропных свойств (значительное увеличение давления паров в смеси с углеводородами) в последнее время приоритет отдается применению топлив на основе спиртов или их смеси с незначительными количествами традиционно используемых моторных топлив. Так, для чистого метанола показатель летучести составляет

440

0,32 кг/см², а в смеси с бензинами в 14 и более раз выше. Поэтому рассматриваются варианты использования в автотранспорте чистых спиртов (марки М-100, Е-100) и их смесей с бензинами в количестве, не превышающем 15% (М-85, Е-85). Но массовое производство и применение указанных топлив в ближайшей перспективе сопряжено с целым рядом проблем, связанных с необходимостью разработки и внедрения новых технологий, которые бы позволили получать этанол по конкурентной с обычными топлива-ми цене. Поэтому следует ожидать применения данных альтернативных видов топлива только в отдельных, наиболее неблагополучных по экологическим характеристикам районах.

Интерес к кислородсодержащим продуктам вызван, во-первых, возможностью получения жидких топлив не нефтяного происхождения (этанол можно получать брожением зерна, сахарного тростника, древесины, части городских отходов). Однако при брожении расходуется в два раза больше энергии, чем содержится в получаемом этаноле, поэтому такой путь решает не проблему энергии вообще, а проблему нехватки бензина. Для некоторых стран (Бразилия, Филиппины) такое направление считается перспективным. Программа "зеленого бензина" поддерживается также правительством США.

Наиболее универсальным способом получения искусственного жидкого топлива является превращение углеводородного газа и твердых углеводородных материалов (уголь, сланец, древесины, городские отходы) в синтез-газ и затем в спирты.

Более отработана технология получения метанола, но при необходимости можно получать и остальные спирты. Некоторые технические трудности при использовании спиртов в чистом виде или в смеси с бензинами вполне преодолимы.

Разработаны также методы превращения метанола в обычный бензин (процесс мобил) на сверхвысококремнеземных цеолитах. Следует все же отметить, что в процессе мобил метанол с ОЧ 110 и. м. превращается в бензин с ОЧ 93 и. м., причем со значительными дополнительными затратами. Производство компонентов синтетических моторных топлив схематически приведено на рис. 4.7.

Использование альтернативных видов топлив требует решения многих технических проблем. Так, при применении спиртов и эфиров необходимо повышение степени сжатия в двигателе. Кроме того, имеются также трудности в обеспечении безопасности перевозок альтернативных топлив. Но главной проблемой широкого применения последних на автотранспорте является отсутствие достаточно надежных данных об экологических последствиях их массового потребления.

441

442

Применение альтернативных топлив способствует снижению выбросов, на которые имеются ограничения, но при этом могут возрасти выбросы других вредных веществ, например, формальдегида, в случае применения метанола. В этой связи, как и в случае снижения выбросов оксида углерода, у специалистов возникают противоречивые мнения относительно установления нижнего предела на содержание кислорода в топливах. Одним из аргументов в пользу этого могут служить данные по испытанию заменителей топлив, когда выбросы оксидов азота возрастают на 8-15%, легких углеводородов - почти на 50% по сравнению с базовыми видами топлив. По оценкам специалистов, такие замены могут привести к увеличению озонообразования на 6%, хотя при этом выбросы оксида углерода снижаются на 25%. Эти обстоятельства, наряду с условиями производства этанола, ограничивают масштабы применения этанольных топлив в районах с повышенной загрязненностью оксидом углерода и развитым сельским хозяйством. Помимо территориального фактора для новых и альтернативных топлив немаловажное значение должен иметь фактор сезонности. Так, General Motors считает приемлемым для США уровень показателя летучести летних сортов бензина не более 630 г/см², для южных районов страны аналогичный показатель должен быть ниже. При использовании метанола в холодное время могут возникнуть трудности с запуском и в системе смазки двигателей. Поэтому к 2000 г. в США доля автомобилей, рассчитанных для работы на метанольных топливах, планировалась в объеме 25%, на СПГ и СНГ - 1-5% от общего производства. Это означает, что применение альтернативных топлив будет ограничено и должно быть жестко специализировано по территориям и сферам применения - внутригородские перевозки и т.п. Таким образом, основная часть моторных топлив в будущем, по-прежнему, может быть представлена традиционными и реформулированными нефтяными топливами.

Вопросы:

• Почему возникла проблема создания альтернативных топлив?
• В чем заключается преимущество использования в качестве моторных топлив спиртов и эфиров?
• Какие проблемы использования сжатого природного газа и сжиженных нефтяных газов существуют?
• Назовите основные источники альтернативных моторных топлив?

443

• В чем заключаются экологические последствия применения альтернативных топлив?

444