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 химическим или биологическим путем, и они обладают характеристиками, которые позволяют 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 производится из биологического материала с помощью процессов ферментации . Биобутанол имеет преимущество в двигателях внутреннего сгорания в том, что его плотность энергии ближе к бензину, чем у более простых спиртов (при этом сохраняя более чем на 25% более высокое октановое число); однако, биобутанол в настоящее время производить сложнее, чем этанол или метанол. При получении из биологических материалов и/или биологических процессов они известны как биоспирты (например, «биоэтанол»). Химической разницы между биологически полученными и химически полученными спиртами нет .
Одним из преимуществ, общих для четырех основных видов спиртового топлива, является их высокое октановое число . Это повышает их топливную эффективность и в значительной степени компенсирует более низкую плотность энергии автомобильного спиртового топлива (по сравнению с бензином/газолином и дизельным топливом), что приводит к сопоставимой «экономии топлива» с точки зрения расстояния на единицу объема, например, километры на литр или мили на галлон.
Метанол и этанол могут быть получены из ископаемого топлива , биомассы или из углекислого газа и воды. Этанол чаще всего производился путем ферментации сахаров, а метанол чаще всего производился из синтез-газа, но существуют и более современные способы получения этих видов топлива. Вместо ферментации можно использовать ферменты. Метанол — более простая молекула, и этанол можно получить из метанола. Метанол можно производить промышленным способом практически из любой биомассы, включая отходы животных, или из углекислого газа и воды или пара, сначала преобразуя биомассу в синтез-газ в газификаторе . Его также можно производить в лаборатории с помощью электролиза или ферментов. [1]
В качестве топлива метанол и этанол имеют как преимущества, так и недостатки по сравнению с такими видами топлива, как бензин (газолин) 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 — 109 RON ( исследовательское октановое число ), 90 MON ( моторное октановое число ) (что соответствует 99,5 AKI ), а метанол — 109 RON, 89 MON (что соответствует 99 AKI). [2] Обратите внимание, что AKI относится к « индексу антидетонации », который усредняет значения RON и MON (RON+MON)/2 и используется на заправках в США. Обычный европейский бензин обычно имеет 95 RON, 85 MON, что соответствует 90 AKI. В качестве топлива для двигателей с воспламенением от сжатия оба спирта создают очень мало твердых частиц, но их низкое цетановое число означает, что в топливо необходимо добавлять присадку, улучшающую воспламенение, например гликоль, в количестве около 5%.
При использовании в двигателях с искровым зажиганием спирты обладают потенциалом для снижения выбросов NOx , CO , HC и твердых частиц. Тест с Chevrolet Luminas, работающим на E85, показал, что выбросы NMHC [3] снизились 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, а выбросы альдегидов ( в частности , ацетальдегида ) увеличились .
Выбросы CO2 из выхлопных газов также уменьшаются за счет более низкого соотношения углерода и водорода в этих спиртах и повышения эффективности двигателя.
Топливо на основе метанола и этанола содержит растворимые и нерастворимые загрязняющие вещества. [5] Галоидные ионы, которые являются растворимыми загрязняющими веществами, такими как хлорид-ионы, оказывают большое влияние на коррозионную активность спиртового топлива. Галоидные ионы усиливают коррозию двумя способами: они химически воздействуют на пассивирующие оксидные пленки на нескольких металлах, вызывая точечную коррозию, и они увеличивают проводимость топлива. Повышенная электропроводность способствует электрической, гальванической и обычной коррозии в топливной системе. Растворимые загрязняющие вещества, такие как гидроксид алюминия, который сам по себе является продуктом коррозии галогенид-ионами, 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 подобного бесконтактного типа. Кроме того, высококачественный спирт должен иметь низкую концентрацию загрязняющих веществ и иметь подходящий ингибитор коррозии. Научные данные показывают, что вода является ингибитором коррозии, вызываемой этанолом. [6]
Эксперименты проводились с E50, который более агрессивен и ускоряет коррозионный эффект. Совершенно очевидно, что, увеличивая количество воды в топливном этаноле, можно уменьшить коррозию. При 2% или 20 000 ppm воды в этанольном топливе коррозия прекращалась. В соответствии с наблюдениями в Японии, водный этанол, как известно, менее едкий, чем безводный этанол. Механизм реакции следующий: 3 EtOH + Al -> Al(OEt) 3 + 3 ⁄ 2 H 2 в смесях нижнего-среднего уровня. Когда в топливе присутствует достаточно воды, алюминий будет предпочтительно реагировать с водой, образуя Al 2 O 3 , восстанавливая защитный слой оксида алюминия. Алкоксид алюминия не создает плотного оксидного слоя; вода необходима для восстановления отверстий в оксидном слое.
Метанол и этанол несовместимы с некоторыми полимерами. Спирт реагирует с полимерами, вызывая набухание, и со временем кислород разрушает углерод-углеродные связи в полимере, вызывая снижение прочности на разрыв. Однако за последние несколько десятилетий большинство автомобилей были разработаны так, чтобы без проблем переносить до 10% этанола (E10). Это включает в себя как совместимость топливной системы, так и лямбда-компенсацию [ необходимо разъяснение ] подачи топлива с двигателями с впрыском топлива с замкнутым контуром лямбда-регулирования. В некоторых двигателях этанол может разрушать некоторые составы пластиковых или резиновых компонентов подачи топлива, предназначенных для обычного бензина, а также неспособен правильно компенсировать лямбда-компенсацию топлива. [ необходима цитата ]
Автомобили "FlexFuel" имеют модернизированную топливную систему и компоненты двигателя, которые рассчитаны на длительный срок службы с использованием E85 или M85, а ЭБУ может адаптироваться к любой топливной смеси между бензином и E85 или M85. Типичные обновления включают модификации: топливных баков, электропроводки топливного бака, топливных насосов, топливных фильтров, топливных линий, 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). [ требуется ссылка ]
Один литр этанола выделяет 21,1 МДж при сгорании, литр метанола — 15,8 МДж, а литр бензина — примерно 32,6 МДж. Другими словами, для того же содержания энергии, что и один литр или один галлон бензина, требуется 1,6 литра/галлон этанола и 2,1 литра/галлон метанола. Однако сырые цифры энергии на объем дают вводящие в заблуждение цифры расхода топлива, поскольку двигатели, работающие на спирте, можно сделать существенно более энергоэффективными. Больший процент энергии, выделяемой при сгорании литра спиртового топлива, можно преобразовать в полезную работу. Эта разница в эффективности может частично или полностью уравновесить разницу в плотности энергии, [ необходима ссылка ] в зависимости от конкретных сравниваемых двигателей.
Метаноловое топливо предлагалось в качестве будущего биотоплива, часто как альтернатива водородной экономике . Метанол имеет долгую историю как гоночное топливо. В ранних гонках Гран-при использовались как смешанные смеси, так и чистый метанол. Это топливо в основном использовалось в Северной Америке после войны. [ необходимо разъяснение ] Однако метанол для гоночных целей в основном основывался на метаноле, полученном из синтез-газа, полученного из природного газа, и поэтому этот метанол не будет считаться биотопливом. Однако метанол является возможным биотопливом, когда синтез-газ получен из биомассы .
Теоретически метанол также может быть получен из биомассы, полученной из возобновляемых источников, 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 метанолового биотоплива является его гораздо более высокая эффективность от скважины до колеса. Это особенно актуально в умеренном климате, где для выращивания сахарных или крахмальных культур для производства этанола требуются удобрения, тогда как метанол можно производить из неудобренной лигноцеллюлозной (древесной) биомассы.
Этанол уже широко используется в качестве топливной добавки , и использование этанолового топлива отдельно или в составе смеси с бензином увеличивается. По сравнению с метанолом его основное преимущество в том, что он менее едкий и нетоксичный, хотя топливо будет производить некоторые токсичные выбросы выхлопных газов. С 2007 года Indy Racing League использует этанол в качестве своего эксклюзивного топлива, после 40 лет использования метанола. [7] С сентября 2007 года заправочные станции в Новом Южном Уэльсе, Австралия, были 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 для пожарной безопасности, но может быть проблемой для запуска двигателей в холодную погоду. Однако концепция температуры вспышки не применима напрямую к двигателям, поскольку сжатие воздуха в цилиндре означает, что температура составляет несколько сотен градусов Цельсия до того, как произойдет воспламенение.
Процессы ферментации для получения пропанола и бутанола из целлюлозы довольно сложны в исполнении, а организм Вейцмана ( Clostridium acetobutylicum ), который в настоящее время используется 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 в том, что он ферментирует, повышается до 2%. [9] Для сравнения, дрожжи погибают, когда содержание этанола в их исходном сырье достигает 14%. Специализированные штаммы могут переносить даже более высокие концентрации этанола — так называемые турбодрожжи могут выдерживать до 16% этанола. [10] Однако, если обычные дрожжи Saccharomyces можно модифицировать для повышения их устойчивости к этанолу, ученые все же могут однажды создать штамм организма Вейцмана с устойчивостью к бутанолу выше естественной границы в 7%. Это было бы полезно, поскольку бутанол имеет более высокую плотность энергии сгорания , чем этанол, и поскольку отходы волокон, остающиеся от сахарных культур, используемых для производства этанола, можно перерабатывать в бутанол, увеличивая выход спирта из топливных культур без необходимости высаживать больше культур.
Несмотря на эти недостатки, компании DuPont и BP недавно объявили, что они совместно построят небольшую демонстрационную установку по производству бутанолового топлива [11] наряду с крупным заводом по производству биоэтанола, который они совместно разрабатывают с Associated British Foods .
Компания Energy Environment International разработала метод производства бутанола из биомассы, который включает последовательное использование двух отдельных микроорганизмов для минимизации образования побочных продуктов ацетона и этанола. [12]
Швейцарская компания Butalco GmbH использует специальную технологию для модификации дрожжей с целью производства бутанола вместо этанола. Дрожжи как производственные организмы для бутанола имеют решающие преимущества по сравнению с бактериями. [13]
Сгорание бутанола : C4H9OH + 6O2 → 4CO2 + 5H2O + тепло
Сгорание пропанола: 2C 3 H 7 OH + 9O 2 → 6 CO 2 + 8H 2 O + тепло
3-углеродный спирт, пропанол (C 3 H 7 OH), нечасто используется в качестве прямого источника топлива для бензиновых двигателей (в отличие от этанола, метанола и бутанола), поскольку в основном 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 сложнее 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 путем ферментации этанола из сахарного тростника .
Страна производит в общей сложности 18 миллиардов литров (4,8 миллиарда галлонов) в год, из которых 3,5 миллиарда литров экспортируется, 2 миллиарда из них в США [15] Автомобили на спирту дебютировали на бразильском рынке в 1979 году и стали довольно популярными из-за значительных субсидий, но в 1980-х годах цены выросли, и бензин вернул себе лидирующую долю рынка. [16]
Однако с 2003 года доля алкоголя на рынке снова быстро увеличилась из-за новых технологий, включающих двигатели с гибким топливом , [17] называемые «Flex» или «Total Flex» всеми основными автопроизводителями ( Volkswagen , General Motors , Fiat и т. д.). Двигатели «Flex» 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]
Из-за ведущего производства и технологий 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-младший посетил город Сан-Паулу, чтобы подписать соглашения с президентом Бразилии Луисом Инасиу Лула да Силва об импорте спирта и его технологий в качестве альтернативного топлива. [19]
Еще в 1935 году Китай начал производить автомобили, работающие на спиртовом топливе. [20] Китай сообщил о независимости от сырой нефти благодаря использованию метанола в количестве 70% от обычного бензина .
Национальный комитет по планированию и координации действий по чистому автомобилю перечислил ключевые технологии, связанные с топливом на основе спирта/эфира и ускоренной индустриализацией, в своей основной повестке 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 бензохол обычно продается в Делавэре, а E85 встречается во многих штатах, особенно на Среднем Западе, где этанол из кукурузы производится на местном уровне.
Многие штаты и муниципалитеты предписали смешивать все бензиновое топливо с 10 процентами спирта (обычно этанола) в течение некоторого или всего года. Это необходимо для снижения загрязнения и позволяет этим районам соблюдать федеральные ограничения по загрязнению. Поскольку спирт частично насыщен кислородом, он производит меньше общего загрязнения, включая озон . В некоторых районах (в частности, в Калифорнии) правила могут также требовать других формул или добавления химикатов, которые снижают загрязнение, но усложняют распределение топлива и увеличивают его стоимость.
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 освобожден от налога на газ в Японии. Однако в результате использование GAIAX стало считаться актом контрабанды в Японии правительством и нефтяной промышленностью. Розничная продажа GAIAX осуществлялась с целью избежать критики уклонения от уплаты налогов путем самостоятельной уплаты налога на дизельное топливо в соответствии с правилами правовой системы.
Случайные возгорания транспортных средств, на которых заправлялся GAIAX, начали регистрироваться примерно в 2000 году, когда обсуждение уклонения от уплаты налогов почти закончилось. Автомобильная промышленность Японии раскритиковала GAIAX, заявив, что «пожары вспыхнули из-за того, что спирт высокой плотности разъел топливные трубы». GAIAX был назван «топливом на основе спирта высокой плотности», и была проведена кампания по его исключению с рынка в долгосрочной перспективе. Наконец, к этой кампании присоединилось Министерство экономики, торговли и промышленности . [26]
Метод определения качества бензина был пересмотрен под предлогом проблем безопасности в 2003 году. Это запретило производство и продажу «топлива на основе спирта высокой плотности» и добавило существенный запрет на продажу GAIAX. Пересмотр закона запрещает производителям топлива добавлять 3% или более спирта в бензин. Этот пересмотр закона является основанием для того, чтобы не продавать в Японии спиртовое топливо выше E3.
Нефтяная промышленность Японии в настоящее время продолжает исследования и разработки оригинального спиртового топлива, отличающегося от GAIAX. Однако коммерческое производство и продажа любого нового топлива может быть запрещена существующими законами, которые в настоящее время исключают GAIAX с рынка. Более того, сильное отвращение японских потребителей к спиртовому топливу высокой плотности любого типа может помешать коммерческому успеху любого нового топлива.
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка )各种动力的抗战牌汽车