Различные спирты используются в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания . Первые четыре алифатических спирта ( метанол , этанол , пропанол и бутанол ) представляют интерес в качестве топлива, поскольку их можно синтезировать химически или биологически, а также они обладают характеристиками, позволяющими использовать их в двигателях внутреннего сгорания. Общая химическая формула спиртового топлива: C n H 2n+1 OH .
Большая часть метанола производится из природного газа, хотя его можно производить из биомассы с использованием очень похожих химических процессов. Этанол обычно производят из биологического материала посредством процессов ферментации . Преимущество биобутанола в двигателях внутреннего сгорания заключается в том, что его энергетическая плотность ближе к бензину, чем к более простым спиртам (при этом октановое число более чем на 25% выше); однако биобутанол в настоящее время производить труднее, чем этанол или метанол. Когда они получены из биологических материалов и/или биологических процессов, они известны как биоспирты (например, «биоэтанол»). Химической разницы между спиртами, полученными биологическим и химическим путем, нет .
Одним из преимуществ, общих для четырех основных видов спиртового топлива, является их высокое октановое число . Это имеет тенденцию повышать их топливную эффективность и в значительной степени компенсирует более низкую энергетическую плотность автомобильного спиртового топлива (по сравнению с бензином/бензином и дизельным топливом), что приводит к сопоставимой «экономии топлива» с точки зрения показателей расстояния на объем, например, километров на объем. литр или мили на галлон.
Метанол и этанол могут быть получены из ископаемого топлива , биомассы или из углекислого газа и воды. Этанол чаще всего получают путем ферментации сахаров, а метанол чаще всего получают из синтез-газа, но существуют более современные способы получения этого топлива. Вместо ферментации можно использовать ферменты. Метанол — более простая молекула, и этанол можно получить из метанола. Метанол можно производить в промышленных масштабах практически из любой биомассы, включая отходы животноводства, или из углекислого газа, воды или пара путем предварительного преобразования биомассы в синтез-газ в газификаторе . Его также можно получить в лаборатории с помощью электролиза или ферментов. [1]
В качестве топлива метанол и этанол имеют преимущества и недостатки по сравнению с такими видами топлива, как бензин (бензин) и дизельное топливо . В двигателях с искровым зажиганием оба спирта могут работать при гораздо более высоких скоростях рециркуляции выхлопных газов и с более высокими степенями сжатия . Оба спирта имеют высокое октановое число : этанол имеет 109 RON ( октановое число по исследовательскому методу ), 90 MON ( моторное октановое число ) (что соответствует 99,5 AKI ) и метанол с 109 RON, 89 MON (что соответствует 99 AKI). [2] Обратите внимание, что AKI означает « антидетонационный индекс », который усредняет показатели RON и MON (RON+MON)/2 и используется на насосах заправочных станций в США. Обычный европейский бензин обычно имеет октановое число 95 RON, 85 MON, что соответствует 90 AKI. В качестве топлива для двигателей с воспламенением от сжатия оба спирта образуют очень мало твердых частиц, но их низкое цетановое число означает, что в топливо необходимо добавлять присадку, улучшающую воспламенение, такую как гликоль, в концентрации прибл. 5%.
При использовании в двигателях с искровым зажиганием спирты способны снижать выбросы NOx , CO , HC и твердых частиц. Испытание Chevrolet Luminas, работающего на топливе E85, показало, что содержание NMHC [3] снизилось на 20-22%, NOx на 25-32% и CO на 12-24% по сравнению с реформулированным бензином. [4] Токсичные выбросы бензола и 1,3-бутадиена также снизились, тогда как выбросы альдегидов увеличились ( в частности, ацетальдегида ).
Выбросы CO 2 из выхлопных труб также уменьшаются из-за более низкого соотношения углерода и водорода в этих спиртах и повышения эффективности двигателя.
Метанол и этаноловое топливо содержат растворимые и нерастворимые примеси. [5] Ионы галогенидов , являющиеся растворимыми загрязнителями, такие как ионы хлорида, оказывают большое влияние на коррозионную активность спиртового топлива. Ионы галогенидов усиливают коррозию двумя способами: они химически воздействуют на пассивирующие оксидные пленки на некоторых металлах, вызывая точечную коррозию, и увеличивают проводимость топлива. Повышенная электропроводность способствует электрической, гальванической и обычной коррозии топливной системы. Растворимые загрязняющие вещества, такие как гидроксид алюминия, который сам по себе является продуктом коррозии под действием галогенид-ионов, со временем засоряют топливную систему.
Для предотвращения коррозии топливная система должна быть изготовлена из подходящих материалов, электрические провода должны быть надлежащим образом изолированы, а датчик уровня топлива должен быть импульсного и удерживающего типа, магниторезистивного или другого аналогичного бесконтактного типа. Кроме того, высококачественный спирт должен иметь низкую концентрацию примесей и содержать подходящий ингибитор коррозии. Научные данные показывают, что вода является ингибитором коррозии, вызываемой этанолом. [6]
Эксперименты проводятся с Е50, который более агрессивен и ускоряет коррозионное воздействие. Совершенно очевидно, что, увеличивая количество воды в топливном этаноле, можно уменьшить коррозию. При 2% или 20 000 ppm воды в топливном этаноле коррозия прекратилась. Согласно наблюдениям, проведенным в Японии, водный этанол, как известно, менее коррозионно-активен, чем безводный этанол. Механизм реакции: 3 EtOH + Al -> Al(OEt) 3 + 3 ⁄ 2 H 2 в смесях ниже среднего. Когда в топливе присутствует достаточное количество воды, алюминий предпочтительно вступает в реакцию с водой с образованием Al 2 O 3 , восстанавливая защитный слой оксида алюминия. Алкоксид алюминия не образует плотного оксидного слоя; Вода необходима для ремонта дыр в оксидном слое.
Метанол и этанол несовместимы с некоторыми полимерами. Спирт вступает в реакцию с полимерами, вызывая набухание, а со временем кислород разрушает связи углерод-углерод в полимере, вызывая снижение прочности на разрыв. Однако за последние несколько десятилетий большинство автомобилей были спроектированы так, чтобы без проблем переносить до 10% этанола (E10). Это включает в себя как совместимость топливной системы, так и лямбда-компенсацию [ необходимы разъяснения ] подачи топлива с двигателями с впрыском топлива, оснащенными лямбда-регулированием с замкнутым контуром. В некоторых двигателях этанол может разлагать некоторые композиции пластиковых или резиновых компонентов подачи топлива, предназначенных для обычного бензина, а также быть неспособным должным образом компенсировать лямбда-компенсацию топлива. [ нужна цитата ]
Автомобили FlexFuel имеют модернизированную топливную систему и компоненты двигателя, которые рассчитаны на длительный срок службы при использовании E85 или M85, а ЭБУ может адаптироваться к любой топливной смеси между бензином и E85 или M85. Типичные модернизации включают в себя модификации: топливных баков, электропроводки топливного бака, топливных насосов, топливных фильтров, топливопроводов, заливных трубок, датчиков уровня топлива, топливных форсунок, уплотнений, топливных рамп, регуляторов давления топлива, седел клапанов и впускных клапанов. Автомобили Total Flex, предназначенные для бразильского рынка, могут использовать E100 (100% этанол). [ нужна цитата ]
Один литр этанола при сгорании выделяет 21,1 МДж, литр метанола — 15,8 МДж и литр бензина — примерно 32,6 МДж. Другими словами, для того же содержания энергии, что и в одном литре или одном галлоне бензина, необходимо 1,6 литра/галлона этанола и 2,1 литра/галлона метанола. Однако необработанные цифры энергии на объем дают вводящие в заблуждение цифры расхода топлива, поскольку двигатели, работающие на спирте, можно сделать существенно более энергоэффективными. Больший процент энергии, выделяющейся при сгорании литра спиртового топлива, можно преобразовать в полезную работу. Эта разница в эффективности может частично или полностью компенсировать разницу в плотности энергии, в зависимости от конкретных сравниваемых двигателей .
Метаноловое топливо предлагалось в качестве будущего биотоплива, часто как альтернатива водородной экономике . Метанол имеет долгую историю использования в качестве гоночного топлива. В ранних гонках Гран-при использовались смешанные смеси, а также чистый метанол. После войны это топливо в основном использовалось в Северной Америке. [ необходимы разъяснения ] Однако метанол для гоночных целей в основном основан на метаноле, производимом из синтез-газа , полученного из природного газа, и поэтому этот метанол не будет считаться биотопливом. Однако метанол является возможным биотопливом, если синтез-газ получают из биомассы .
Теоретически метанол также можно производить из экологически чистой биомассы и, в конечном итоге, из углекислого газа, а также путем электролиза водорода с использованием ядерной энергии, геотермальной энергии или какого-либо другого возобновляемого источника энергии (см. Carbon Recycling International ). По сравнению с биоэтанолом, основным преимуществом метанольного биотоплива является его гораздо более высокая эффективность от скважины до колеса. Это особенно актуально в умеренном климате, где удобрения необходимы для выращивания сахара или крахмала для производства этанола, тогда как метанол можно производить из неоплодотворенной лигноцеллюлозной (древесной) биомассы.
Этанол уже широко используется в качестве топливной добавки , а использование этанольного топлива отдельно или в смеси с бензином растет. По сравнению с метанолом его основным преимуществом является то, что он менее коррозионно-активен и нетоксичен, хотя топливо производит некоторые токсичные выбросы выхлопных газов. С 2007 года Инди-гоночная лига использует этанол в качестве исключительного топлива после 40 лет использования метанола. [7] С сентября 2007 года заправочные станции в Новом Южном Уэльсе, Австралия, обязаны поставлять весь свой бензин с содержанием этанола 2% [8]
Пропанол и бутанол значительно менее токсичны и менее летучи, чем метанол. В частности, бутанол имеет высокую температуру вспышки 35 °C, что является преимуществом с точки зрения пожарной безопасности, но может затруднить запуск двигателей в холодную погоду. Однако концепция температуры вспышки не применима напрямую к двигателям, поскольку сжатие воздуха в цилиндре означает, что температура до воспламенения достигает нескольких сотен градусов Цельсия.
Процессы ферментации для получения пропанола и бутанола из целлюлозы довольно сложны в исполнении, а организм Вейцмана ( Clostridium acetobutylicum ), используемый в настоящее время для выполнения этих преобразований, производит крайне неприятный запах, и это необходимо учитывать при проектировании и размещении ферментационной установки. . Этот организм также погибает, когда содержание бутанола во всем, что он ферментирует, возрастает до 2%. [9] Для сравнения, дрожжи погибают, когда содержание этанола в их сырье достигает 14%. Специализированные штаммы могут переносить даже более высокие концентрации этанола — так называемые турбодрожи могут выдерживать до 16% этанола. [10] Однако, если обычные дрожжи Saccharomyces можно модифицировать, чтобы улучшить их устойчивость к этанолу, ученые все же могут однажды создать штамм организма Вейцмана с устойчивостью к бутанолу выше естественной границы в 7%. Это было бы полезно, потому что бутанол имеет более высокую плотность энергии сгорания , чем этанол, и потому что волокна отходов, оставшиеся от сахарных культур, используемых для производства этанола, могут быть превращены в бутанол, повышая выход спирта из топливных культур, не требуя посадки большего количества культур.
Несмотря на эти недостатки, DuPont и BP недавно объявили, что они собираются совместно построить небольшой демонстрационный завод по производству бутанолового топлива [11] рядом с крупным заводом по производству биоэтанола, который они разрабатывают совместно с Associated British Foods .
Компания Energy Environment International разработала метод производства бутанола из биомассы, который предполагает последовательное использование двух отдельных микроорганизмов, чтобы свести к минимуму образование побочных продуктов ацетона и этанола. [12]
Швейцарская компания Butalco GmbH использует специальную технологию модификации дрожжей для производства бутанола вместо этанола. Дрожжи как организмы-продуценты бутанола имеют решающие преимущества по сравнению с бактериями. [13]
Горение бутанола: C 4 H 9 OH + 6O 2 → 4CO 2 + 5H 2 O + тепло.
Горение пропанола: 2C 3 H 7 OH + 9O 2 → 6 CO 2 + 8H 2 O + тепло.
Трехуглеродный спирт пропанол (C 3 H 7 OH) не часто используется в качестве прямого источника топлива для бензиновых двигателей (в отличие от этанола, метанола и бутанола), причем большая часть его используется в качестве растворителя. Однако он используется в качестве источника водорода в некоторых типах топливных элементов; он может генерировать более высокое напряжение, чем метанол, который является предпочтительным топливом для большинства топливных элементов на основе спирта. Однако, поскольку пропанол труднее производить, чем метанол (биологическим путем или из нефти), топливные элементы, использующие метанол, предпочтительнее тех, которые используют пропанол.
До недавнего времени Бразилия была крупнейшим производителем спиртового топлива в мире, обычно производя этанол из сахарного тростника .
Страна производит в общей сложности 18 миллиардов литров (4,8 миллиарда галлонов) ежегодно, из которых 3,5 миллиарда литров экспортируются, из них 2 миллиарда в США. [15] Алкогольные автомобили дебютировали на бразильском рынке в 1979 году и стали довольно популярными благодаря большие субсидии, но в 1980-х годах цены выросли, и бензин вернул себе ведущую долю рынка. [16]
Однако с 2003 года доля алкоголя на рынке снова быстро увеличилась благодаря новым технологиям, включающим двигатели с гибким топливом , [17] называемые «Flex» или «Total Flex» всеми крупными производителями автомобилей ( Volkswagen , General Motors , Fiat , и т. д.). «Гибкие» двигатели работают на бензине, спирте или любой смеси обоих видов топлива. По состоянию на май 2009 года более 88% новых автомобилей, проданных в Бразилии, работают на гибком топливе. [18]
Благодаря передовому производству и технологиям Бразилии многие страны стали очень заинтересованы в импорте спиртового топлива и принятии концепции транспортных средств «Flex». [17] 7 марта 2007 года президент США Джордж Буш посетил город Сан-Паулу , чтобы подписать соглашения с президентом Бразилии Луисом Инасиу Лула да Силва об импорте алкоголя и его технологий в качестве альтернативного топлива. [19]
Еще в 1935 году в Китае производились автомобили, работающие на спиртовом топливе. [20] Китай сообщил о независимости от сырой нефти, используя 70% метанола по сравнению с обычным бензином .
Национальный комитет планирования и координации действий в области чистого автомобиля включил ключевые технологии, связанные со спиртом/эфирным топливом и ускоренной индустриализацией, в свою основную повестку дня. Спиртовое топливо стало частью пяти основных альтернативных видов топлива: два из которых были спиртами; метанол и этанол [21]
В конце 2007 года Соединенные Штаты производили 26,9 миллиардов литров (7 миллиардов галлонов) в год. [22] E10 или газохол обычно продается в Делавэре, а E85 встречается во многих штатах, особенно на Среднем Западе, где местное производство этанола из кукурузы.
Многие штаты и муниципалитеты требуют, чтобы все бензиновое топливо смешивалось с 10-процентным содержанием спирта (обычно этанола) в течение некоторого времени или в течение всего года. Это сделано для уменьшения загрязнения и позволяет этим районам соответствовать федеральным пределам загрязнения. Поскольку алкоголь частично насыщен кислородом, он производит меньше общего загрязнения, включая озон . В некоторых регионах (в частности, в Калифорнии) правила могут также требовать использования других составов или добавления химикатов, которые уменьшают загрязнение, но усложняют распределение топлива и увеличивают стоимость топлива.
Первое спиртовое топливо в Японии началось с GAIAX в 1999 году. GAIAX был разработан в Южной Корее и импортирован Японией. Основным ингредиентом был метанол.
Поскольку GAIAX не был бензином, он был необлагаемым объектом газового налога Японии. Однако в результате использование GAIAX стало рассматриваться правительством и нефтяной промышленностью Японии как акт контрабанды. Розничная продажа GAIAX осуществлялась во избежание критики в уклонении от уплаты налогов за счет самостоятельной уплаты налога на дизельное топливо в соответствии с правилами правовой системы.
Сообщения о случайных возгораниях транспортных средств во время заправки GAIAX начали появляться примерно в 2000 году, когда дискуссия об уклонении от уплаты налогов почти закончилась. Автомобильная промышленность Японии раскритиковала GAIAX, заявив, что «пожары возникли из-за того, что спирт высокой плотности разъел топливные трубки». GAIAX был назван «спиртовым топливом высокой плотности», и была проведена кампания по его исключению с рынка в долгосрочной перспективе. Наконец, к этой кампании присоединилось и Министерство экономики, торговли и промышленности . [26]
В 2003 году метод контроля качества бензина был пересмотрен под предлогом соображений безопасности. Это запретило производство и продажу «спиртового топлива высокой плотности», а также добавило существенный запрет на продажу GAIAX. Пересмотром закона производителям топлива запрещено добавлять в бензин 3% и более спирта. Этот пересмотр закона является основанием для запрета продажи спиртового топлива выше E3 в Японии.
Нефтяная промышленность Японии сейчас продолжает исследования и разработку оригинального спиртового топлива, отличного от GAIAX. Однако коммерческое производство и продажа любого нового топлива может быть запрещено существующими законами, которые в настоящее время исключают GAIAX из рынка. Более того, сильное отвращение японского потребителя к спиртовому топливу высокой плотности любого типа может помешать коммерческому успеху любого нового топлива.
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )各种动力的抗战牌汽车