ИННОВАЦИОННОЕ РАЗВИТИЕ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПРИРОДНЫХ ЭНЕРГОНОСИТЕЛЕЙ АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ МОТОРНЫЕ ТОПЛИВА Лекция 4

АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ МОТОРНЫЕ ТОПЛИВА План лекции 4 Спиртовые и оксигенатные топлива Диметиловый эфир Водородные топлива Топливные элементы

Спиртовые и оксигенатные топлива Спиртовые: метанол, этанол. Оксигенатные: смесь углеводородных топлив (бензинов, дизельных топлив) с кислородсодержащими добавками (КСД): МТБЭ, ДИПЭ, МТАЭ, ЭТБЭ, ДМЭ. Количество кислорода, вводимое в бензин не должно превышать 2,7 % об. (МТБЭ не более 15 % об.)

Спиртовые и оксигенатные топлива ПоказательБазовы й бензин метанолэтанолМТБЭМТАЭЭТБЭДИПЭ Температура кипения, С ,578,45586,37368 Массовая доля О 2, % -49,934,718,215,7 15,6 Температура застывания, С Ниже минус ,9-114, ,2 ОЧИ ОЧМ Допустимое содержание в бензине, % в России

Преимущества спиртовых топлив Высокие антидетонационные свойства, что позволяет повысить степень сжатия в камере сгорания и повысить к.п.д. двигателя Температура сгорания спиртов ниже температуры сгорания бензина, это приводит к уменьшению содержания в отработавших газах оксидов азота (они образуются при Т> 1090 град. С) Наличие кислорода в молекуле спиртов позволяет снизить расход воздуха, необходимый для их сгорания и увеличить скорость и полноту сгорания, уменьшить содержание СО в отработавших газах

Недостатки спиртовых топлив 1. Низкая объемная энергоплотность (16 МДж/л для метанола и 21 МДж/л для этанола против 32 МДж/л для бензина), что приводит к увеличению почти в 2 раза удельного расхода спиртового топлива и требует для обеспечения одинакового запаса почти в двое больший объем топливного бака. Однако на спиртовом топливе двигатель может работать на очень бедных смесях, поэтому топливный бак для метанола должен быть больше в 1,65 раза, для этанола – в 1,25 раза для обеспечения одного и того же пробега.

Недостатки спиртовых топлив 2. Низкое давление насыщенных паров и высокая теплота испарения (в 4-5 раз боле, чем у бензинов): затрудняют пуск двигателя при низких температурах. В спирты добавляют 6-10 % изопентана и ДМЭ (запуск двигателя возможет до минус 20 – минус 25 град. С). Устанавливают также специальные подогреватели топлив, что усложняет конструкцию двигателя.

Недостатки спиртовых топлив 3. Неограниченная растворимость спиртов в воде, что ухудшает эксплуатационные свойства: высокая коррозионная агрессивность, отрицательное влияние на резинотехнические изделия и пластмассовые детали 4. Присутствие в отработавших газах альдегидов, кетонов, карбоновых кислот 5. Требуется существенная модернизация системы подачи топлива, изменение степени сжатия и других параметров двигателя

Меры для устранения недостатков Ограничение или полное устранение контакта с водой - сложно реализовать! Использование металлов или различных покрытий, не подвергающихся коррозии или введение антикоррозионных присадок – ухудшает экономические показатели! Замена резинотехнических и пластмассовых изделий на более стойкие к воздействию спиртов материалы.

Меры для устранения недостатков Разработка каталитических нейтрализаторов отработавших газов (окисление альдегидов, кетонов, кислот до воды и СО 2 ). Организация производства двигателей, предназначенных для работы на спиртовых топливах.

Недостатки спиртовых топлив Высокая стоимость по сравнению с нефтяными топливами! Кроме того! При использовании спиртов отмечены износы деталей цилиндро-поршневой группы как в бензиновом, так и в дизельном двигателях.

Метанол В России до 2008 г. было разрешено вводить до 3 % об. метанола с обязательным использованием стабилизатора. В 2008 г. утвержден новый технический регламент – использование метанола в составе автобензинов запрещено! В США ограничено используется топливо М-85 (85 % метанола + 15 % бензина), М-100 ( в гоночных автомобилях), а также в Германии, Китае, Японии

Этанол «Пионер» в использовании этанола в качестве топлива – Генри Форд (1880 г.) В США в конце 90-х гг. использовалось ок. 4 млн. т этанола (1,3 % от объема автобензина). Преимущества: высокая теплотворная способность (на 35 % выше, чем у метанола); лучшая растворимость в бензине; меньшая коррозионная агрессивность; меньшая токсичность; лучшие антидетонационные свойства. Но! Высокая стоимость!

Этанол Промышленные способы получения: 1) сернокислотная гидратация этилена – синтетический этанол 2) гидролиз непищевого растительного сырья – гидролизный этанол 3) ферментативная переработка пищевого растительного сырья – пищевой этанол. Себестоимость 1:4,2:3,5

Марки топлив, содержащих этанол Е-10 (10 % этанола, «Газохол») Е-15 (15 % этанола) Е-85 (85 % этанола) Е-95 (95 % этанола) Е-100 («чистый» этанол, фактически азеотроп 96 % этанола + 4 % воды).

Марки топлив, содержащих этанол Использование топлива Е-10 не требует изменений в двигателе и обеспечивает: Снижение выброса СО на 20 %. Увеличение ОЧ на 3 пункта. Увеличение температуры. воспламенения с 290 до 425 град. С, что уменьшает пожароопасность. В США эффект от использование топлива Е-10 сравним с сокращением автомобильного парка на 1 млн. ед-ц. В Бразилии этанол наиболее широко распространен в качестве топлива (90% автопарка)

Марки топлив, содержащих этанол В России разрешено производство бензина по ТУ «Бензины автомобильные неэтилированные, содержащие этанол» - ОАО «ЛУКОЙЛ - Вогограднефтепереработка», ОАО «Новокуйбышевский НПЗ». Октаноповышающие добавки на основе этанола выпускают: ЗАО «Нефтехимия» (г. Самара) ЗАО НПО «Химсинтез» и др.

Оксигенатные топлива Общий объем производства МТБЭ в мире – 30 млн. т в год В США более 30 % автобензинов содержат оксигенаты (85 % МТБЭ) С 1999 г. производство МТБЭ в США стало снижаться, а объем производства этанола возрос до 8,1 млн. т в год (2003 г.)

Оксигенатные топлива. Преимущества Введение оксигенатов позволяет: Улучшить эксплуатационные свойства нефтяных топлив, повысить октановое число. Сократить расход нефти на производство моторных топлив. Снизить содержание токсичных веществ в отработавших газах. Введение оксигенатов эквивалентно экономии полуторного-двойного количества нефти: на производство 1 т моторного топлива расходуется от 1,5 до 2 т нефти.

Производство МТБЭ в России ОАО «Нижнкамскнефтехим» ОАО «Синтезкаучук» (г. Тольятти) ОАО «Уралоргсинтез» (г. Чайковский) ОАО «Омский НПЗ» ОАО «Ярославнефтеоргсинтез» и др. Всего 12 предприятий (5 Сибур-Холдинг) Общая мощность установок – ок. 1 млн. тонн в год

Недостатки МТБЭ Отрицательно влияет на здоровье человека! Вызывает астму, кратковременную потерю памяти, головную боль, раздражение кожи и т.д. В Калифорнии запрет на использование МТБЭ (2005 г.), на остальной территории США – гг. Ведутся исследования по поиску и выведению микроорганизмов, способных ассимилировать МТБЭ (биоочистка грунтовых вод) В России разрешены к использованию топлива, содержащее до 15 % МТБЭ

ДИМЕТИЛОВЫЙ ЭФИР Одно из наиболее перспективных топлив для дизельных двигателей. Сырье для производства ДМЭ – природный газ. Высокие эксплуатационные и экологические свойства.

Диметиловый эфир. Преимущества. Высокое цетановое число (55-60 единиц) В камере сгорания нет нагара, в отработавших газах нет сажи. Низкое содержание оксидов азота в отработавших газах. Отсутствие серы (нет оксидов серы в отработавших газах) – наиболее актуальная проблема использования нефтяных дизельных топлив. ДМЭ некоррозионноактивен! В атмосфере полностью разлагается на воду и СО 2 в течение 1 дня. Нетоксичен, немутагенен, неканцерогенен.

Диметиловый эфир. Недостатки. В 1,5 раза меньшая полнота сгорания по сравнению с дизельным топливом, что приводит к увеличению расхода ДМЭ в 1,5-1,6 раза. Для того, чтобы ДМЭ был конкурентоспособен необходимо организовать его широкомасштабное производство на установках большой мощности. Низкая кинематическая вязкость, очень плохие смазывающие свойства. Низкая температура кипения (минус 24,8 град. С), проблемы при хранении. ДМЭ является наркотическим галлюциногенным веществом, вызывающим эффект опьянения.

ДМЭ В гг. ДМЭ впервые был применен в СССР в импортных двигателях большой мощности на строительной технике (при строительстве объектов на Севере), что обеспечило их работу в условиях минус 50 - минус 70 град. С В 2005 г. разработана «Программа правительства Москвы по внедрению ДМЭ в качестве моторного топлива» для улучшения экологической обстановки.

Цены различных энергоносителей (Роттердам, 2008 г.) ТопливоЦена, долл./т Нефтяное дизельное СУГ Пропан СПГ ДМЭ Синтетическое жидкое по ФТ

ВОДОРОДНЫЕ ТОПЛИВА В 1841 г. В Англии – первый патент на двигатель, работающий на смеси водорода и кислорода. В 1927 г. в Германии - использование водорода в качестве топлива в двигателях внутреннего сгорания на дирижаблях. 30-е гг. 20 века в США, Германии, Англии – работы по созданию автомобилей с водородными двигателями В СССР автомобили на водородном топливе появились в блокадном Ленинграде

Интерес к водородному топливу При сгорании водорода в двигателе образуется только вода – экологическая чистота! Высокие энергетические свойства водорода (низшая теплота сгорания в 3 раза больше, чем у бензина, 1 кг водорода эквивалентен почти 3 кг бензина). Практически неограниченная сырьевая база (можно получать из воды).

Варианты использования водорода в качестве моторного топлива Применение самого водорода. Применение водорода совместно с традиционными нефтяными топливами. Использование водорода в топливных элементах. Сегодня мощности по производству водорода – ок. 100 млн. т в год (90 % получают в процессах нефтепереработки). Электролиз воды – дорогой, затратный по энергии способ (электроэнергия вырабатывается на электростанциях с использованием природного газа и угля).

Использование водорода в различных отраслях промышленности Синтез аммиака – 52 % Гидроочистка – 15 % Гидрокрекинг – 12 % Синтез метанола – 10 % Производство химических продуктов – 6 % Процессы гидрирования – 5 % Энергетика и транспорт – менее 0,01%! (в т.ч. ракетно-космическая техника)

Недостатки При использовании водорода в качестве моторного топлива требуется его тщательная очистка, что приводит к резкому его удорожанию (до стоимости водорода, полученного электролизом, ок. 93 руб./кг). Основная проблема – хранение на «борту» автомобиля (сжатый газообразный водород; сжиженный водород, использование носителей водорода) Перспективное направление –хранение в виде интерметаллических соединений - гидридов металлов (оптимальный гидрид алюминия, но его трудно получить)

Сравнение технических характеристик двигателей ПоказательБензинСжатый Н 2 Сжиженный Н 2 MgH 2 Масса топлива, кг 53,0513,4 181 Объем топлива, м 3 0,0710,190,23 Масса бака, кг 13, ,4 Объем бака, м 3 0,081,530,280,25 Общая масса топливной системы, кг

ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ТОПЛИВНЫЕ элементы – это устройства, вырабатывающие электрическую энергию за счет энергии окислительно-восстановительной химической реакции жидких или газообразных реагентов, непрерывно поступающих к электродам извне, т.е. являются химическими источниками тока непрерывного действия Самый маленький в мире водородный топливный элемент d=443

ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ % энергии органического и ядерного топлива преобразуется в электричество, а из него только 1/3 (10 %) превращается в полезный продукт (свет, транспорт и т.д.) 90 % органического и ядерного топлива превращаются в тепло и вредные компоненты, загрязняющие планету! Топливные элементы позволяют безмашинно производить электроэнергию.

ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ Сегодня разработаны топливные элементы с к.п.д. 70% в силовых установках и 98 % в слаботочных (информационных) системах. Идея принадлежит английскому ученому У. Грову На электродах топливного элемента протекают электрохимические реакции: на отрицательном - с участием восстановителя (топлива), на положительном – с участием окислителя (кислорода воздуха).

ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ Преимущества: из меньшего количества источника энергии (газ, уголь, нефть и пр.) получать то же количество электроэнергии при уменьшении вредных выбросов (практически отсутствие). Бесшумность в работе. Модульность позволяет легко и быстро строить установки разной мощности объединением различного количества топливных элементов. Продолжительность работы топливного элемента более 10 лет (определяется запасом топлива).

ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ На автотранспорте в качестве топлива в топливной ячейке наиболее часто используют водород, а также природный газ, метанол, бензин. Но! Необходим реформер – устройство для получения водорода из этих видов топлива непосредственно на борту транспортного средства, что значительно усложняет и утяжеляет конструкцию двигателя. Существующие автомобили на топливных элементов: 30 % заправляются водородом и 30 % метанолом. Недостатки: высокая стоимость! ( долл. на 1 кВт мощности по сравнению с 20 долл. для ДВС, себестоимость авто с водородным двигателем в раз выше)