Альтернативные виды топлива для современных автомобилей

О падении и взлете

В Советском Союзе еще до начала Второй мировой войны шли поиски возможной добычи бензина из бурого угля. Но, увы, получить результаты, пригодные для промышленного производства, не получилось. После окончаний конфликта цена на нефть упала, а вместе с ней отпала и потребность в синтетическом топливе. Теперь из-за уменьшения нефтяных запасов эта сфера переживает второе рождение. Производство синтетического бензина становится все более распространенным, часто встречает поддержку со стороны государства. К примеру, в США производители подобного топлива могут рассчитывать на государственные субсидии. Несмотря на все предпосылки, жидкое топливо производят в ограниченном масштабе. Дело в том, что расширение существующих мощностей ограничено высокой стоимость, которая значительно превышает то, что получается из обычного сырья. К примеру, синтетический бензин в Германии умеют делать из воды и углекислого газа, вот только за год он обойдется в новый автомобиль. И все из-за дороговизны установки. Главное направление работы – это поиск экономических технических решений. Например, открыт вопрос снижения давления для ожижения угля. Сейчас необходимо создавать 300-700 атмосфер, а поиск ведется для достижения значения в 100 и ниже. Также актуальны вопросы увеличения производительности генераторов, разработки новых катализаторов (более эффективных). Да, и не следует забывать о том, что качественного природного угля не так уж и много. Поэтому более перспективным считается его получение из газа. Какие здесь есть возможности?

Теплотворность твердых материалов

К этой категории относится древесина, торф, кокс, горючие сланцы, брикетное и пылевидное топливо. Основная составная часть твердого топлива — углерод.

Особенности разных пород дерева

Максимальная эффективность от использования дров достигается при условии соблюдения двух условий — сухости древесины и медленном процессе горения.

Куски дерева распиливают или рубят на отрезки длиной до 25-30 см, чтобы дрова удобно загружались в топку

Идеальными для дровяного печного отопления считаются дубовые, березовые, ясеневые бруски. Хорошими показателями характеризуется боярышник, лещина. А вот у хвойных пород теплотворность низкая, но высокая скорость горения.

Как горят разные породы:

1. Бук, березу, ясень, лещину сложно растопить, но они способны гореть сырыми из-за низкого содержания влажности.
2. Ольха с осиной не образуют сажи и «умеют» удалять ее из дымохода.
3. Береза требует достаточного количества воздуха в топке, иначе будет дымить и оседать смолой на стенках трубы.
4. Сосна содержит больше смолы, чем ель, поэтому искрит и горит жарче.
5. Груша и яблоня легче других раскалывается и отлично горит.
6. Кедр постепенно превращается в тлеющий уголь.
7. Вишня и вяз дымит, а платан сложно расколоть.
8. Липа с тополем быстро прогорают.

Показатели ТСТ разных пород сильно зависят от плотности конкретных пород. 1 кубометр дров эквивалентен примерно 200 литрам жидкого топлива и 200 м3 природного газа. Древесина и дрова относятся к категории с низкой энергоэффективностью.

Влияние возраста на свойства угля

Уголь является природным материалом растительного происхождения. Добывается он из осадочных пород. В этом топливе содержится углерод и другие химические элементы.

Кроме типа на теплоту сгорания угля оказывает влияние и возраст материала. Бурый относится к молодой категории, за ним следует каменный, а самым старшим считается антрацит.

По возрасту горючего определяется и влажность: чем моложе уголь, тем больше в нем содержание влаги. Которая также влияет на свойства этого типа топлива

Процесс горения угля сопровождается выделением веществ, загрязняющих окружающую среду, колосники котла при этом покрываются шлаком. Еще один неблагоприятный фактор для атмосферы — наличие серы в составе топлива. Этот элемент при соприкосновении с воздухом трансформируется в серную кислоту.

Производителям удается максимально снизить содержание серы в угле. В результате ТСТ отличается даже в пределах одного вида. Влияет на показатели и география добычи. Как твердое топливо может использоваться не только чистый уголь, но и брикетированный шлак.

Наибольшая топливная способность наблюдается у коксующегося угля. Хорошими характеристиками обладает и каменный, древесный, бурый уголь, антрацит.

Характеристики пеллет и брикетов

Это твердое топливо изготавливается промышленным способом из различного древесного и растительного мусора.

Измельченная стружка, кора, картон, солома пересушивается и с помощью специального оборудования превращается в гранулы. Чтобы масса приобрела определенную степень вязкости, в нее добавляют полимер — лигнин.

Пеллеты отличаются приемлемой стоимостью, на которую влияют высокий спрос и особенности процесса изготовления. Использоваться этот материал может только в предназначенных для такого вида топлива котлах

Брикеты отличаются только формой, их можно загружать в печи, котлы. Оба типа горючего делятся на виды по сырью: из кругляка, торфа, подсолнечника, соломы.

У пеллет и брикетов есть существенные преимущества перед прочими разновидностями топлива:

• полная экологичность;
• возможность хранения практически в любых условиях;
• устойчивость к механическим воздействиям и грибку;
• равномерное и длительное горение;
• оптимальный размер гранул для загрузки в отопительное устройство.

Экологичное топливо — хорошая альтернатива традиционным источникам тепла, которые не возобновляются и неблагоприятно действуют на окружающую среду. Но пеллеты и брикеты отличаются повышенной пожароопасностью, что стоит учитывать при организации места хранения.

При желании, можно наладить изготовление топливных брикетов собственноручно, подробнее – в этой статье.

Экологически чистые виды топлива:

Повсеместное загрязнение окружающей среды приводит к пониманию, что требуются иные источники энергии помимо традиционных газа, угля и нефти. К тому же объемы природных ископаемых конечны и рано или поздно придется решать, чем отапливать дома и заправлять автомобили.

Полностью безопасных в экологическом плане видов топлива нет. Определенный урон окружающей среде наносится либо при выработке непосредственно топлива, либо при его сжигании в двигателях и печах.

Но есть несколько вариантов экологически чистого топлива, за которыми, возможно, будущее:

– давление сжатого воздуха;

– этанол или этиловый спирт, получаемый от брожения органики;

– специально переработанное растительное масло. Конструкция двигателя аналогична дизельной конструкции. Выхлопы безопасны для окружающей среды;

– водород. При доработке стандартного двигателя внутреннего сгорания можно повышать КПД от применения водорода до 117%. Главный недостаток топлива — летучесть как в жидком, так и в газообразном виде;

К основным преимуществам экологических видов топлива можно отнести их доступность. Спирт или растительное масло можно получать из большей части растений, произрастающих на планете. А водород — один из наиболее распространенных химических элементов.

Дизельные топлива

Дизельное топливо – это жидкий продукт прямой перегонки нефти, который получают из керосино-газойлевых фракций. Дизельное топливо применяется в дизельных двигателях внутреннего сгорания.

Главными потребителями дизельного топлива являются легковые дизельные автомобили, железнодорожный транспорт, военная и сельскохозяйственная  техника, водный транспорт и  грузовой автотранспорт. Кроме вышеперечисленных потребителей, соляровое масло (или остаточное дизельное топливо) еще используется для пропитки кожи, при термической и механической обработке металлов, в закалывающих, смазочно-охлаждающих жидкостях, автомобильных (и не только), а также в качестве топлива для котельных.

Дизельное топливо (ДТ), в зависимости от климатических условий использования, принято подразделять на три основных марки: марка А (арктическое),  марка З (зимнее) и марка Л (летнее).

Арктическое дизельное топливо используется при температуре окружающего воздуха до -50°С (при белее низких значениях арктическое дизельное топливо застывает). Температура вспышки данного топливного материала  25°С. Плотность не должна превышать 830 кг/м3. Арктическое дизельное топливо получают методом депарафинизации летнего ДТ, но это достаточно дорогой способ. Также можно смешать гидроочищенные, прямогонные углеводородные фракции и вторичного происхождения. По сути, арктическое дизельное топливо представляет собой утяжеленный керосин. Но керосин в чистом виде не обладает необходимыми смазывающими свойствами, цетановое число у него также довольно низкое (около 35 – 40), поэтому в арктическое дизельное топливо дополнительно вводят моторное минеральное масло (чтоб повысить смазывающую способность) и присадки, которые способствуют повышению цетанового числа.

Зимнее дизельное топливо изготавливают смешиванием вторичного происхождения,  гидроочищенных и прямогонных углеводородных фракций. Температура их выкипания составляет от 180 до 340°С. Застывает зимнее дизельное топливо при температуре -35°С. Температура вспышки его составляет 30°С. Также зимнее дизельное топливо могут изготавливать, вводя в летнее ДТ депрессорную присадку (она уменьшает температуру застывания топлива). Зимнее дизельное топливо можно получить и кустарным способом. Для этого необходимо к летнему ДТ добавить керосин КО или ТС-1. Плотность зимнего дизельного автомобильного топлива составляет около 840 кг/м3.Летнее дизельное топливо застывает при температуре всего 5°С ниже ноля. Изготавливают также  смешиванием вторичного происхождения,  гидроочищенных и прямогонных углеводородных фракций, но температура выкипания их уже составляет от 180 до 360°С.

Природный и сжиженный газ

 Природный газ – несомненный лидер среди энергоносителей. По своей стоимости он не имеет конкурентов – газовое отопление является самым дешевым, газ стоит в несколько раз меньше других видов топлива. 

Природный газ в качестве основного топлива обладает следующими преимуществами:

1. Низкая стоимость;
2. Отсутствие отходов во время работы;
3. Высокий уровень автоматизации, работа без присутствия человека;
4. Высокий уровень КПД теплового оборудования;
5. Возможность качественной регулировки температуры теплоносителя;
6. Для некоторых моделей не требуется выделения отдельного помещения;
7. Производство горячей воды на базе газового котла или с помощью бойлера косвенного нагрева;
8. Возможность организации системы отопления с естественной циркуляцией – независимость от наличия электроэнергии.

В качестве источников тепла в газовом отоплении применяются котлы различных мощностей и модификаций, газовые конвекторы и излучатели, печи определенной конструкции. На базе котлов обычно организуется водяное отопление, конвекторы и излучатели используются как отдельные приборы обогрева.

Кроме того, газовые теплогенераторы служат источником теплоты для воздушных систем отопления.

Недостатками природного газа являются следующие факторы:

1. Крупные финансовые вложения на приобретение оборудования;
2. Продолжительный процесс оформления разрешений и проекта, сдача объекта после монтажа;
3. Необходимость сооружения системы дымоудаления – классической дымовой трубы расчетных параметров или подключения коаксиально-раздельной системы труб;
4. Высокий уровень взрывоопасности;

Но все указанные недостатки обычно полностью нивелируются последующим низким уровнем затрат на эксплуатацию, обеспечиваемым уровнем комфорта.

Следует отметить, что кроме традиционных газовых теплогенераторов существует модификация оборудования с повышенным КПД – конденсационные котлы. Они имеют КПД до 98 %, работают в низкотемпературном режиме.

Об их устройстве, достоинствах и недостатках можно прочитать в отдельной статье нашего портала.

Мы намеренно отнесли сжиженный газ в этот раздел – ведь принцип работы оборудования на природном и жидком газе практически не отличается. Большинство моделей котельного оборудования, конвекторов и излучателей адаптированы для работы на обоих видах топлива.

Отличие сжиженного газа от магистрального состоит в необходимости создания запаса топлива. Для этого строится газгольдер или применяются газовые баллоны.

Баллоны 50 литров со сжиженным газом

 Стоимость этого типа топлива имеет высокие значения, превосходит цену на природный газ в 5 – 6 раз, сопоставима с затратами на дизтопливо. 

Чаще всего котлы для работы на сжиженном газе устанавливают при наличии перспективы подключения к магистральному газопроводу или при отсутствии иных видов энергоносителей.

Подробно о газовом отоплении частного дома можно прочитать здесь.

Переработка отходов в топливо в России

В январе 2019 президент страны В. Путин подписал указ о создании компании «Российский экологический оператор», которая станет единым мусорным оператором страны в форме публично-правовой компании (ППК); функции учредителя будет осуществлять Минприроды. Оператор будет заниматься госпрограммами по обращению с отходами и привлекать инвесторов для проектов по их утилизации.

Инновации

Отходоперерабатывающие комплексы:
Впервые в рамках отечественных исследований поставлена задача (2011 г.) объединить разрозненные передовые разработки по многим отраслям промышленности.
Будут разработаны несколько вариантов экологически чистых, высокотехнологичных, конкурентоспособных на мировом рынке отходоперерабатывающих комплексов.Оптимизация сырьевых, тепловых, газовых потоков обеспечит максимальное получение жидких топливных фракций и стройматериалов — без каких-либо технологических отходов, кроме сбросных каталитически очищенных газов.
В результате переработки будет выпускаться рентабельная продукция: топливо, присадки, строительные материалы.

На 1-м этапе предполагается комплектация экспериментальной линии для проведения исследований, испытаний, сертификации и патентования.
Данная работа будет проводиться совместно с Фондом «Сколково», участником которого является компания «Русэкойл».

Планируется строительство мобильных или стационарных перерабатывающих комплексов в составе 1-5 однотипных линий с годовым объёмом переработки 50-250 тыс. тонн подготовленных ТБО (вновь образуемых и полигонного захоронения), «хвостов» сортировки, иловых осадков, торфа, углешламов, деревоотходов и другой органики.
В результате переработки будет выпускаться товарной продукция:

• дизельное топливо
• химпродукция: (бензол, толуол и нефрас или объединённая фракция БТК),
• цемент,
• газопенобетон.

Виды топлива

Альтернативное топливо, несмотря на свое разнообразие, является дорогостоящим и скорее экспериментальным. Поэтому потребители используют привычное, относительно недорогое горючее: дизтопливо, бензин и т.д. А топливные карточки позволят водителю оптимизировать затраты используемого топлива и проконтролировать его потребление.

Ученые очертили следующие виды топлива.

• Природный газ. Такое топливо сгорает полностью и дает меньше выбросов, загрязняющих окружающую среду. Для использования газа в автомобиле специально перепроектируются двигатели. Природный газ, как топливо, может применяться в виде сжатого газа, так и в виде жидкого газа.
• Электричество. Автомобиль работает от батарей, заряжающихся при его подключении к обычному источнику питания. Электричество – самый дешевый вид топлива.
• Водородное топливо – эффективный аккумулятор энергии. Водород опасен, поэтому используется в сочетании с другими видами топлива.
• Сжиженный нефтяной газ (пропан). Такой газ используется в двигателе после небольших его модификаций. Газ полностью сгорает и его выбросы меньше загрязняют природу по сравнению с бензином.
• Биодизельное топливо, изготовленное на основе растительных масел (подсолнечное, соевое, рапсовое) и животных жиров. Любое транспортное средство с дизельным двигателем может работать на биодизельном топливе.
• Метанол (древесный метиловый спирт), который может использоваться в транспортных средствах с метаноловыми двигателями.
• Этанол (этиловый спирт), получаемый в результате брожения кукурузы, пшеницы, ячменя и дистилляции. Его смешивают с бензином, в результате чего выхлопные газы, полученного таким образом топлива, практически не загрязняют атмосферу.
• Виды топлива серии Р – это соединение этанола, природного газа и метилтетрагидрофурана. Относительно чистое топливо с высоким октановым числом.

Как альтернативное экспериментальное топливо используются жидкий азот, солнечная энергия, биогаз, газовый конденсат, водяной пар (паровые автомобили), аммиак, диметиловый эфир и т.д.

Некоторые виды альтернативного топлива уже применяются на автозаправочных станциях для заправки автомобилей наряду с бензином и дизтопливом. На АЗС осуществляется заправка по безналу и за наличные.

Компания «РусПетрол» предлагает услуги по оформлению топливных карт для возможности приобретения горючего на выгодных условиях и контроля расхода топлива.

Разберём подробнее

Думаю, каждому автолюбителю полезно знать некоторые химические подробности о жидком «корме» для железных лошадок.

Бензин

Смесь молекул получают:

• при разделении нефти на фракции путём возгонки;
• переработке твёрдых видов топлива и мазута;
• в процессе осушки природного газа (удаляют длинные, малоподвижные цепочки).

Основная рабочая характеристика бензина: стойкость к детонации, достигается сбалансированным фракционным составом, характеризующимся октановым числом. Быстро детонируют парафины. Ароматические углеводороды сдерживают горение.

В российском ГОСТе фигурируют марки бензина: А-76, А-80, АИ-91, АИ-92, АИ-93, АИ-95, АИ-98. О многих видах владельцы современных машин даже не слышали.

Процесс детонации во многом зависит от степени сжатия газовой смеси в цилиндре (это в школе по физике проходили). Чем дольше двигаются поршни (их в блоке может быть до двенадцати) в момент возгорания бензина, тем мощнее моторы. Бензиновые двигатели внутреннего сгорания (ДВС) создаются под определённую марку топлива. Степень сжатия цилиндров отличается на 1-2 единицы.

От фракционного состава бензина зависит рабочий ресурс двигателя. У нас в стране разрабатывают два вида топлива: летнее и зимнее, с меньшей влажностью.

Теперь о содержании вредных компонентов:

• серы – до 0,1,%, при её сгорании повышается кислотность бензина, повышается риск коррозии;
• смол – 100 мг/л, они норовят осесть на детали двигателя.

Механических примесей и воды быть не должно.

Дизтопливо

Это смесь прямого и очищенного дистиллятов нефти (легко воспламеняющегося цетана и заглушающего горение метилнафталина). Энергетический потенциал ДТ оценивается цетановым числом, это процент цетана. Топливо с ЦЧ ниже 45 считается жёстким. Если ЦЧ выше 55 – смесь полностью не прогорает, увеличивается расход дизтоплива. По Росстандарту в нашем ДТ цетана от 35 до 45%. В Швеции от 47 до 50, калифорнийцы заправляются ДТ с 48 процентами цетана.

Для дизтоплива важными показателями считают:

• прокачиваемость;
• температуру помутнения (Тп);
• фильтруемость (Тф);
• предел застывания (Тг).

На мощных двигателях стоят многоступенчатые системы очистки, чтобы не забивались форсунки, впрыскивающие топливо в камеру сгорания. Летнее топливо (маркируется «Л») заливают до заморозков. «З» эксплуатируется до 20-градусных морозов. Для Крайнего Севера выпускают топливную смесь, не застывающую при минус 45°(она обозначается буквой «А»).

На состояние деталей влияет:

• йодное число (характеризует концентрацию ароматических веществ);
• зольность (несгораемые углеводороды).

Вода и мехпримеси в ДТ недопустимы.

Значение букв АИ в названии топлива

В аббревиатуре АИ первая буква означает назначение продукта «Автомобильный». Буква «И» говорит о том, что октановое число данной марки было определено исследовательским способом (ИОЧ). Суть метода состоит в тестировании бензина при небольших и средних нагрузках, для которых характерна:

• температура всасываемого воздуха, равная 52°C;
• угол опережения зажигания — 13°;
• частота вращения коленчатого вала — 600 об/мин;
• переменная степень сжатия.

Моторный метод (МОЧ) тоже проводится с использованием двухтактного двигателя, но имитирует более жесткие условия, такие как:

• температура всасываемого воздуха — 149°C;
• частота вращения коленвала — 900 об/мин.

Такой режим проявляется при езде в гору и любой другой высокой нагрузке на двигатель. АМ всегда ниже, чем АИ. Эта разница называется чувствительностью топлива.

В так называемых экспортных бензинах А-80 и А-92 маркировка не содержит буквы «и», но, тем не менее, ОЧ в них определено при помощи исследовательского метода.

Получение и виды

Бензины и другие углеводороды (дизельное топливо, керосин и др.) получают путем перегонки нефти. Существует несколько способов получения фракций из нефти:

• прямая перегонка (ректификация);
• крекинг;
• риформинг.

Прямая перегонка

Прямая перегонка заключается в отборе разных фракций путем нагревания в определенных температурных пределах. Пары бензина собираются в верхней части колонны, а затем конденсируются и охлаждаются, образуя жидкий бензин. Ниже по уровню колонны получают фракции лигроина, керосина, солярового масла, а в самом нижнем остатке получается мазут.

Перегонка нефти

До 100°C получают I сорт, до 110°C – специальный, до 130°C – II сорт. Но получаемый таким образом бензин имеет низкое октановое число, как правило, не выше 65-70. Его доля составляет всего 5-15% от объема нефти.

В результате прямой перегонки получают также и дизельное топливо как смесь солярового масла и керосина. От бензина оно отличается узким фракционным составом и применяется в двигателях с воспламенением от сжатия, то есть, в дизельных. Способность воспламеняться под давлением и температурой – это главное свойство дизельного топлива. Для его характеристики используются не октановое, а цетановое число.

Крекинг

Название этого способа происходит от английского глагола «to crack» – «расщеплять», «раскалывать». Метод позволяет увеличить долю бензиновых фракций до 50-60%. В его основе лежат деструктивные методы, то есть, высокомолекулярные фракции расщепляются на фракции с низкомолекулярной массой. Разные группы углеводородов, такие как парафиновые, нафтеновые или ароматические, разлагаются с разной скоростью.

Крекинг

В свою очередь, крекинг-процесс может происходить двумя способами: расщепление под действием высокой температуры и расщепление в присутствии катализаторов (алюмосиликаты). Термический крекинг происходит под давлением и при температуре 470-500°C. Каталитический крекинг является более совершенным. Катализатор превращает часть непредельных углеводородов в предельные, тем самым повышается качество. Конечно, технологически эти процессы более сложны. Но даже при более совершенном каталитическом крекинге октановое число не выше 75-80.

Риформинг

Риформинг – это вид крекинга, где сырьем служат лигроины или низкооктановые бензины. Таким способом увеличивают октановое число после прямой перегонки нефти или после термического или каталитического крекинга. Получают бензины с октановым числом 95-98, а с добавлением этиловой жидкости (спиртов) доводят до 100 и выше. Это также сложный технологический процесс, имеющий несколько видов.

Делаем из угля

И еще один маленький момент, о котором не было упомянуто раньше, – при работе в домашних условиях установки, наверняка, будут получаться довольно большими. Поэтому размещать их в квартире не рекомендуется. А вот создать их в собственном доме или около него – дело вполне реальное.

Синтетический бензин может быть получен из угля в результате влияния пара. Его газификация – это самый простой и реализуемый способ для домашних условий. Итак, приступим. Первоначально для большей эффективности работы и увеличения скорости протекания процесса уголь необходимо измельчить. Затем осуществляется его насыщение водородом. Затем необходимо создать температуру в 400-500 градусов по Цельсию и давление в 50-300 кг/см2. И ждем момента перехода в жидкое состояние. Если не используется растворитель, то таким станет только 5-8% от всей массы угля. Затем приходит черед катализаторов. Для угля подходит: молибден, никель, кобальт, олово, алюминий, железо, а также их соединения. Для газификации можно использовать любой вид сырья. Бурый, каменный – все подойдет. Хотя его качество влияет на эффективность преобразования. Ранее приводилось обозначение количества углеродов и называлась цифра в 8%. Это не совсем верно. Зависимо от марки и качества, значение может колебаться от 4% до 8%. А для минимальной пригодности последующей обработки и выделения бензина необходимо добиться значения в 11% (лучше 15%). Первоначально, не факт, что все будет получаться. Особенно, если прогуливались уроки по физике и химии. Тем не менее синтетический бензин из угля можно успешно делать и использовать.