Метаноловое топливо является альтернативным биотопливом для двигателей внутреннего сгорания и других двигателей, как в сочетании с бензином , так и самостоятельно. Метанол (CH 3 OH) менее затратен для устойчивого производства, чем этанольное топливо , хотя он более токсичен, чем этанол, и имеет более низкую плотность энергии , чем бензин . Метанол безопаснее для окружающей среды, чем бензин, является антифризом, предотвращает накопление грязи и сажи в двигателе, имеет более высокую температуру воспламенения и может выдерживать сжатие, эквивалентное сжатию сверхвысокооктанового бензина. [1] Его можно легко использовать в большинстве современных двигателей. [2] Чтобы предотвратить образование паровых пробок из-за того, что это простое, чистое топливо, можно включить небольшой процент другого топлива или определенных добавок. Метанол может быть получен из ископаемого топлива или возобновляемых ресурсов , в частности, природного газа и угля или биомассы соответственно. В последнем случае его можно синтезировать из CO 2 ( углекислого газа ) и водорода . [3] Подавляющее большинство метанола, производимого в мире, в настоящее время производится из газа и угля. [4] Однако проекты, инвестиции и производство зеленого метанола неуклонно росли вплоть до 2023 года. [5] [6] [7] [8] [9] Метаноловое топливо в настоящее время используется гоночными автомобилями во многих странах и все чаще применяется в морской отрасли .
В 2022 году мировой рынок биометанола составил около 120 миллионов долларов США. Большая его часть в настоящее время производится из биомассы. [10] Компании, инвестирующие значительные средства в производство и исследования биометанола, включают Enerkem , Södra , Methanex , Alberta Pacific и BASF . [11]
Во время нефтяного кризиса 1973 года метанол, полученный из угля, был предложен в качестве топлива для замены бензина. [12] В 2005 году Джордж А. Олах предложил « метаноловую экономику », основанную на хранении энергии в синтетически полученном метаноле. [13] [14]
В большинстве стран метанол в настоящее время обычно производится из синтез-газа , полученного путем паровой конверсии метана (главного компонента природного газа ). [15] В Китае, который произвел около 60% мирового метанола в 2014 году, его производят в основном из угля. [ 16] Однако, чтобы быть жизнеспособным в качестве экологически чистого топлива, его необходимо производить из возобновляемого сырья, наиболее значительным из которого является биомасса . Метанол, полученный из биомассы, иногда называют биометанолом. [15] Биометанол в основном производится путем газификации биомассы. Как и традиционное производство метанола, это производит синтез-газ. После удаления сероводорода и диоксида углерода ( очищения от примесей ), которые образуются в качестве побочных продуктов на этапе газификации, метанол можно производить с использованием обычных методов. [15] Этот путь может предложить возобновляемое производство метанола из биомассы с эффективностью до 75%. [17]
Также были предложены методы производства с использованием диоксида углерода в качестве сырья. Этот метод включает реакцию диоксида углерода с водородным газом при высоких температурах и давлениях в присутствии катализатора на основе меди . [18] Главным недостатком этого подхода является сложность выделения диоксида углерода и водорода в требуемых больших объемах и высокой чистоте. [15] Небольшое количество метанола производится ежегодно с использованием диоксида углерода, улавливаемого из промышленных дымовых газов . [19]
Из-за высокого октанового числа метанола 114 [20] он может достигать более высокой тепловой эффективности и выходной мощности по сравнению с бензином в двигателях, разработанных для использования метанола. Однако он также менее летуч и сгорает при более низкой температуре, чем бензин, что затрудняет запуск и прогрев двигателя в холодную погоду. Кроме того, его относительно низкая удельная энергия около 17 МДж/кг (по сравнению с 34 МДж/кг для бензина) [21] и соотношение воздуха к топливу 6,4:1 означают, что он страдает от более высокого расхода топлива, чем углеводородное топливо. Поскольку он производит больше водяного пара при сгорании (аналогично двигателям внутреннего сгорания на водороде ) и некоторые кислотные побочные продукты, вероятен повышенный износ компонентов двигателя. Он может содержать растворимые загрязняющие вещества, такие как ионы хлорида , [22] , что делает его более едким. Нерастворимые загрязняющие вещества, такие как гидроксид алюминия , который сам по себе является продуктом коррозии галогенид-ионами, со временем засоряют топливную систему. Метанол также гигроскопичен , то есть он поглощает водяной пар из атмосферы. [23] Поскольку поглощенная вода снижает топливную ценность метанола (хотя и подавляет детонацию двигателя) и может вызвать разделение фаз смесей метанола и бензина, емкости с метанолом должны быть плотно закрыты.
По сравнению с бензином метанол более устойчив к рециркуляции отработавших газов (EGR), что повышает топливную экономичность двигателей внутреннего сгорания, использующих цикл Отто и искровое зажигание. [24]
Кислота, хотя и слабая, метанол воздействует на оксидное покрытие, которое обычно защищает алюминий от коррозии:
Полученные метоксидные соли растворимы в метаноле, что приводит к образованию чистой поверхности алюминия, которая легко окисляется растворенным кислородом . Метанол также может выступать в качестве окислителя:
Этот обратный процесс эффективно подпитывает коррозию до тех пор, пока металл не будет съеден или концентрация CH 3 OH не станет незначительной. Коррозионная активность метанола была устранена с помощью совместимых с метанолом материалов и топливных присадок, которые служат ингибиторами коррозии.
Органический метанол, произведенный из древесины или других органических материалов ( биоспирт ), был предложен в качестве возобновляемой альтернативы углеводородам на основе нефти . Низкие уровни метанола могут использоваться в существующих транспортных средствах с добавлением сорастворителей и ингибиторов коррозии.
Чистый метанол по правилам должен использоваться в гонках IndyCar , Monster Trucks , спринтерских автомобилях USAC (а также в малолитражках, модифицированных и т. д. ) и других гоночных сериях, таких как World of Outlaws и Motorcycle Speedway , в основном потому , что в случае аварии метанол не образует непрозрачного облака дыма. С конца 1940-х годов метанол также используется в качестве основного топливного ингредиента в силовых установках радиоуправляемых , линейных и свободнолетающих моделей самолетов (см. ниже), легковых и грузовых автомобилей; такие двигатели используют платиновую нить накаливания , которая воспламеняет пары метанола посредством каталитической реакции. Гонщики по дрэг-рейсингу , гонщики по грязи и сильно модифицированные тракторные тягачи также используют метанол в качестве основного источника топлива. Метанол требуется для двигателя с наддувом в Top Alcohol Dragster , и до конца сезона 2006 года все автомобили в Indianapolis 500 должны были работать на метаноле. В качестве топлива для гонщиков по грязи метанол в смеси с бензином и закисью азота производит больше энергии, чем бензин и закись азота по отдельности.
Начиная с 1965 года чистый метанол широко использовался в автомобильных соревнованиях USAC Indy , в число которых в то время входила гонка Indianapolis 500 .
Безопасность была основным фактором, повлиявшим на принятие метанолового топлива в гонках с открытыми колесами в США. В отличие от нефтяных пожаров, метаноловые пожары можно потушить обычной водой. Пожар на основе метанола горит невидимо, в отличие от бензина, который горит видимым пламенем. Если пожар происходит на трассе, нет пламени или дыма, которые могли бы затруднить обзор быстро приближающимся водителям, но это также может задержать визуальное обнаружение пожара и начало тушения пожара. Авария с участием семи автомобилей на втором круге гонки Indianapolis 500 1964 года привела к решению USAC поощрять, а затем и сделать обязательным использование метанола. Эдди Сакс и Дэйв Макдональд погибли в аварии, когда взорвались их автомобили, работавшие на бензине . Пожар, вызванный бензином, создал опасное облако густого черного дыма, которое полностью заблокировало вид на трассу для встречных автомобилей. Джонни Резерфорд , один из других участвовавших в аварии водителей, управлял автомобилем, работающим на метаноле, который также протек после аварии. В то время как эта машина горела от удара первого огненного шара, она образовала гораздо меньший ад, чем бензиновые машины, и горела невидимо. Это свидетельство и давление со стороны журналиста The Indianapolis Star Джорджа Мура привели к переходу на спиртовое топливо в 1965 году.
Метанол использовался CART Circuit в течение всей кампании (1979–2007). Он также используется многими организациями шорт-трека, особенно малолитражными, спринтерскими автомобилями и спидвейными мотоциклами. Чистый метанол использовался IRL с 1996 по 2006 год.
В 2006 году в партнерстве с этаноловой промышленностью IRL использовала смесь 10% этанола и 90% метанола в качестве топлива. Начиная с 2007 года IRL перешла на «чистый» этанол , E100. [25]
Метаноловое топливо также широко используется в дрэг-рейсинге , в основном в категории Top Alcohol , в то время как в классах Top Fuel может использоваться от 10% до 20% метанола в дополнение к нитрометану .
В гонках «Формулы-1» в качестве топлива по-прежнему используется бензин , однако в довоенных гонках Гран-при в качестве топлива часто использовался метанол.
В 2020 году Международная морская организация приняла циркуляр MSC.1/Circular.1621, кодифицирующий надлежащее использование и положения для метанола в качестве топлива, в ответ на его растущее использование в морской и судоходной отраслях. [26] По состоянию на 2023 год ключевыми игроками отрасли, включая Maersk , COSCO Shipping и CMA CGM , было заказано около 100 судов, работающих на метаноле . [27] [28] Большинство этих судов оснащены двухтопливными двигателями, что означает, что они способны сжигать как бункерное топливо , так и метанол.
Текущие проблемы, с которыми сталкивается метанол как топливо, связаны со стоимостью, доступностью и правилами выбросов. Переоборудование нефтяной баржи под метанол может обойтись примерно в 1,6 млн долларов. [27] Кроме того, ископаемый метанол увеличивает общий жизненный цикл парниковых газов и выбросы в процессе производства. Подавляющее большинство мирового производства метанола производится на основе ископаемого топлива, которое производится с использованием газа и угля . [29] [4] Доступность зеленого метанола (который производится из ресурсов с нулевым или отрицательным выбросом углерода, таких как биомасса ) в настоящее время ограничена и почти в два раза дороже бункерного топлива. Однако ускорение производства возобновляемого метанола, как говорят, не является значительной глобальной проблемой, и многие в отрасли предполагают, что производство может естественным образом вырасти по мере того, как заказы на суда, перевозящие метанол, продолжают поступать. [27] В 2023 году судоходный гигант Maersk подписал соглашения с частными производителями зеленого метанола в разных странах, чтобы выполнить один миллион тонн, необходимых для работы его 19 заказанных судов. [27]
Объединенные Арабские Эмираты инвестируют в заправочные станции в Египте для судов, проходящих через Суэцкий канал.
Самые ранние двигатели для моделей самолетов свободного полета , летавших до конца Второй мировой войны, использовали смесь 3:1 белого газа и высоковязкого моторного масла для двухтактных двигателей с искровым зажиганием, используемых для хобби в то время. К 1948 году рынок начал захватывать новый тогда еще инновационный двигатель с зажиганием от свечей накаливания , требующий использования метанолового топлива для реакции в каталитической реакции со спиральной платиновой нитью в свече накаливания для работы двигателя, обычно с использованием смазки на основе касторового масла , содержащейся в топливной смеси в соотношении примерно 4:1. Разновидность двигателя с зажиганием от свечей накаливания, поскольку он больше не требовал бортовой батареи , катушки зажигания , точек зажигания и конденсатора, которые требовались двигателю с искровым зажиганием, экономила ценный вес и позволяла моделям самолетов иметь лучшие летные характеристики. В своих традиционно популярных двухтактных и все более популярных четырехтактных формах, в настоящее время производимые одноцилиндровые двигатели на метаноле являются обычным выбором для радиоуправляемых самолетов для развлекательного использования, для размеров двигателей, которые могут варьироваться от 0,8 см 3 (0,049 куб. дюймов) до 25-32 см 3 (1,5-2,0 куб. дюймов) рабочего объема, и значительно больших рабочих объемов для двух- и многоцилиндровых оппозитных и радиальных конфигурационных двигателей для моделей самолетов, многие из которых имеют четырехтактную конфигурацию. Большинство двигателей на метаноле, особенно произведенных за пределами Северной Америки, могут легко работать на так называемом метанольном топливе спецификации FAI . Такие топливные смеси могут быть потребованы FAI для определенных событий в так называемых международных соревнованиях FAI "Class F" , которые запрещают использование нитрометана в качестве компонента топлива для двигателей накаливания. Напротив, компании в Северной Америке, которые производят двигатели для моделей, работающих на метаноле, или которые базируются за пределами этого континента и имеют в Северной Америке крупный рынок для таких миниатюрных силовых установок, как правило, производят двигатели, которые могут работать и часто работают лучше всего с определенным процентом нитрометана в топливе, который при использовании может составлять всего 5–10 % от объема, а может достигать 25–30 % от общего объема топлива.
Метанол используется в качестве топлива для приготовления пищи в Китае, а его использование в Индии растет. [30] Его плита и баллон не нуждаются в регуляторах или трубах. [30]
Метанол используется в качестве топлива в топливных элементах. Обычно используется реформированный метаноловый топливный элемент (RMFC) или прямой метаноловый топливный элемент (DMFC) . Мобильные и стационарные приложения типичны для метаноловых топливных элементов, таких как резервное производство электроэнергии, производство электроэнергии на электростанциях, аварийное электроснабжение , вспомогательная силовая установка (APU) и расширение диапазона батареи ( электромобили , корабли).
Зеленый метанол — это жидкое топливо , которое производится путем объединения диоксида углерода и водорода ( CO2 + 3H2 → CH3OH + H2O ) под давлением и при нагревании с катализаторами . Это способ повторного использования улавливания углерода для переработки . Метанол может экономично хранить водород при стандартных наружных температурах и давлениях по сравнению с жидким водородом и аммиаком , которым необходимо использовать много энергии, чтобы оставаться холодными в жидком состоянии . [31] В 2023 году Laura Maersk стал первым контейнеровозом, работающим на метанольном топливе. [32] Заводы по производству этанола на Среднем Западе являются хорошим местом для чистого улавливания углерода, чтобы объединить его с водородом для производства зеленого метанола, с обильной ветровой и ядерной энергией в Айове , Миннесоте и Иллинойсе . [33] [34] Смешивание метанола с этанолом может сделать метанол более безопасным топливом для использования, поскольку метанол не имеет видимого пламени при дневном свете и не выделяет дыма, а этанол имеет видимое светло-желтое пламя. [35] [36] [37] Экологичное производство водорода с эффективностью 70% и 70% производство метанола из этого будет иметь эффективность преобразования энергии 49% . [38]
Метанол естественным образом встречается в организме человека, но ядовит при высоких концентрациях. Человеческий организм способен безопасно метаболизировать и справляться с небольшими количествами метанола, например, из некоторых искусственных подсластителей или фруктов, что временно приводит к появлению токсичных побочных продуктов в кровотоке, таких как муравьиная кислота, до выведения, тогда как он неспособен безопасно метаболизировать более сложные углеводороды, такие как бензин. [39] Однако прием 10 мл может вызвать слепоту, а 60–100 мл могут быть фатальными, если это состояние не лечить. [40] Как и многие летучие химические вещества, включая этанол и бензин, метанол может повредить кожу, глаза и легкие при воздействии значительных количеств. Те, кто хронически подвергается воздействию таких больших количеств, подвергаются риску развития долгосрочных системных последствий для здоровья, подобных отравлению низкосортным метанолом, если их не лечить. [41]
Максимально допустимое воздействие в воздухе в США (40 ч/неделю) составляет 1900 мг/м 3 для этанола, 900 мг/м 3 для бензина и 1260 мг/м 3 для метанола. Однако он гораздо менее летуч, чем бензин, и, следовательно, имеет меньшие выбросы испарений, что создает меньший риск воздействия при эквивалентном разливе. Хотя метанол предлагает несколько иные пути воздействия токсичности, эффективная токсичность не хуже, чем у бензола или бензина, и отравление метанолом гораздо легче успешно лечить. Одной из существенных проблем является то, что отравление метанолом, как правило, необходимо лечить, пока оно еще бессимптомно, для полного выздоровления.
Риск вдыхания смягчается характерным резким запахом. При концентрациях более 2000 ppm (0,2%) он, как правило, довольно заметен, однако более низкие концентрации могут оставаться незамеченными, оставаясь потенциально токсичными при более длительном воздействии и все еще могут представлять опасность возгорания/взрыва. Опять же, это похоже на бензин и этанол; для метанола существуют стандартные протоколы безопасности, которые очень похожи на протоколы для бензина и этанола.
Использование метанолового топлива снижает выбросы выхлопных газов некоторых токсинов, связанных с углеводородами, таких как бензол и 1,3-бутадиен, и значительно снижает долгосрочное загрязнение грунтовых вод , вызванное разливами топлива. В отличие от топлив бензольного ряда, метанол быстро и нетоксично биоразлагается без долгосрочного вреда для окружающей среды, если он достаточно разбавлен.
Метанол гораздо сложнее поджечь, чем бензин, и горит примерно на 60% медленнее. Пожар метанола выделяет энергию примерно на 20% от скорости пожара бензина, что приводит к гораздо более холодному пламени. Это приводит к гораздо менее опасному пожару, который легче локализовать с помощью надлежащих протоколов. В отличие от пожаров бензина, вода приемлема и даже предпочтительна в качестве огнетушителя при пожарах метанола, поскольку она и охлаждает огонь, и быстро разбавляет топливо ниже концентрации, при которой оно будет сохранять самовоспламеняемость. Эти факты означают, что в качестве транспортного топлива метанол имеет большие преимущества в плане безопасности по сравнению с бензином. [42] Этанол разделяет многие из этих же преимуществ.
Так как пары метанола тяжелее воздуха, они будут задерживаться близко к земле или в яме, если нет хорошей вентиляции, и если концентрация метанола в воздухе превышает 6,7%, он может загореться от искры и взорваться при температуре выше 54 F / 12 C. После возгорания неразбавленный метанольный огонь выделяет очень мало видимого света, что делает потенциально очень трудным увидеть огонь или даже оценить его размер при ярком дневном свете, хотя, в подавляющем большинстве случаев, существующие загрязняющие вещества или легковоспламеняющиеся вещества в огне (такие как шины или асфальт) будут окрашивать и улучшать видимость огня. Этанол, природный газ, водород и другие существующие виды топлива создают схожие проблемы пожарной безопасности, и для всех таких видов топлива существуют стандартные протоколы безопасности и пожаротушения. [43]
Смягчение экологического ущерба после аварии облегчается тем фактом, что метанол низкой концентрации биоразлагаем, малотоксичен и не сохраняется в окружающей среде. Очистка после пожара часто просто требует большого дополнительного количества воды для разбавления пролитого метанола с последующим вакуумированием или абсорбционным восстановлением жидкости. Любой метанол, который неизбежно попадает в окружающую среду, будет иметь незначительное долгосрочное воздействие и при достаточном разбавлении быстро биоразложится с небольшим или нулевым ущербом для окружающей среды из-за токсичности. Разлив метанола, который сочетается с существующим разливом бензина, может привести к тому, что смешанный разлив метанола/бензина будет сохраняться примерно на 30–35 % дольше, чем это сделал бы один бензин. [43] [44] [45]
В 2019 году было использовано около 100 миллионов тонн метанола, в основном для химикатов . [46]
В штате Калифорния с 1980 по 1990 год проводилась экспериментальная программа, которая позволяла любому человеку переоборудовать бензиновый автомобиль [ неопределенно ] на 85% метанол с 15% добавок по выбору. Более 500 автомобилей были переоборудованы на высокую степень сжатия и специальное использование 85/15 метанола и этанола.
В 1982 году каждая из трех крупнейших компаний получила по $5 000 000 на проектирование и контракты на 5 000 автомобилей, которые должны были быть куплены государством. Это было раннее использование автомобилей с низким сжатием и гибким топливом .
В 2005 году губернатор Калифорнии Арнольд Шварценеггер прекратил использование метанола, чтобы присоединиться к растущему использованию этанола, стимулируемому производителями кукурузы. В 2007 году этанол стоил от 3 до 4 долларов за галлон (от 0,8 до 1,05 долларов за литр) на заправке, в то время как метанол, произведенный из природного газа, оставался на уровне 47 центов за галлон (12,5 центов за литр) в оптовой продаже, а не на заправке.
В настоящее время в Калифорнии нет действующих заправочных станций, поставляющих метанол в свои насосы. Представитель Элиот Энджел [демократ от 17-го округа Нью-Йорка] представил в Конгрессе Закон об открытом топливном стандарте: «Обязать производителей автомобилей гарантировать, что не менее 80 процентов автомобилей, произведенных или проданных в Соединенных Штатах каждым таким производителем, будут работать на топливных смесях, содержащих 85 процентов этанола, 85 процентов метанола или биодизеля». [47]
Измененная Директива о качестве топлива, принятая в 2009 году, допускает добавление до 3% об. метанола в бензин. [48]
Идея добавить значительный процент метанола в бензин была очень близка к реализации в Бразилии после пилотного испытания, организованного группой ученых, включавшего смешивание бензина с метанолом в период с 1989 по 1992 год. Более масштабный пилотный эксперимент, который должен был быть проведен в Сан-Паулу, был вето в последнюю минуту мэром города из-за беспокойства за здоровье работников заправочной станции, от которых не ожидалось соблюдения мер предосторожности. По состоянию на 2006 год [update]эта идея больше не всплывала. [ необходима цитата ]
Niti Aayog, центральный институт планирования Индии, объявил 3 августа 2018 года, что если это осуществимо, пассажирские транспортные средства будут работать на 15%-ном бензине с добавлением метанола. [49] В настоящее время транспортные средства в Индии используют до 10%-ного топлива с добавлением этанола. Если это одобрит правительство, это сократит ежемесячные расходы на топливо на 10%. В 2021 году этанол стоит 60 рупий за литр, в то время как цена метанола оценивается менее чем в 25 рупий за литр. [ необходима цитата ]
Текст скопирован из этого источника, который доступен по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International.Результаты по двигателю Audi показывают, что метанол более толерантен к EGR, чем бензин, из-за его более высокой скорости пламени. При использовании метанола был обнаружен допуск EGR в 27 %. Эффективность двигателя, работающего на метаноле, полученная с EGR, выше, чем полученная при дросселированной стехиометрической работе.
{{cite web}}: Отсутствует или пусто |title=( помощь ) [ мертвая ссылка ]{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link){{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link){{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link)Используется в больших количествах (более 98 Мт в 2019 году), в основном как сырье для химикатов (80%) и в меньших объемах как энергоноситель (20%).