Альтернативные топлива для автомобилей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Альтернативные топлива для автомобилей



1. Газообразные топлива

Пропан-бутан(сжиженный нефтяной газ, СНГ, по-английски- liquified petroleum gas LPG) - это смесь двух газов. Пропан-бутан получают из нефти и сконденсированных нефтяных попутных газов.

БутамнC₄H₁₀- предельный углеводород (алкан), имеет два изомера:

н-бутан (диэтил) CH₃-CH₂-CH₂-CH_3;

2-метилпропан (изобутан, триметилметан) CH(CH₃)₃

ПропамнC₃H₈ -газ, представитель класса алканов. Химическое строение: CH₃-CH₂-CH₃, при температуре 25 °C сжижается под давлением около 1 МПа.

Таблица 1 - Характеристика сжиженных нефтяных газов

Наименование показателя	Норма для марки
	СНГГОСТ 27578	GPLAUTO PETROM
	ПА	ПБА	Tip A	Tip B
1. Массовая доля компонентов, %:
сумма метана, этана	Не нормируется
пропан	85+10	50+10	35	65
сумма непредельных углеводородов, не более	6	6
Октановое число по моторному методу, минимум	95	90	89	89
2. Избыточное давление насыщенных паров 150 кПа, минимум при температуре, °С			Минус 10	Минус 5
3. Давление насыщенных паров, избыточное, МПа, при температуре
плюс 45(40) °С, не более		1,6	(1,55 )	(1,55)
минус 20 °С, не менее		0,07
минус 35 °С, не менее	0,07
4. Массовая доля серы и сернистых соединений, %, не более	0,01	0,01	0,01	0,01
в том числе сероводорода, не более	0,003	0,003	отрицательно	отрицательно

ПА - пропан автомобильный; ПБА - пропан-бутан автомобильный; GPL - gazpetrolier lichefiat



Марка газа ПБА допускается к применению во всех климатических районах при температуре окружающего воздуха не ниже минус 20°С.Марка ПА применяется в зимний период в тех климатических районах, где температура воздуха опускается ниже минус 20°С и рекомендуемый температурный интервал ее применения от минус 20°С до минус 35°С. В весенний период времени с целью полного израсходования запасов сжиженного газа марки ПА допускается ее применение при температуре до 10°С.

Рисунок 1- Зависимость давления паров газа от температуры

Одним из наиболее важных свойств пропана и бутана, отличающих их от других видов автомобильного топлива, является образование при свободной поверхности над жидкой фазой двухфазной системы жидкость - пар, вследствие возникновения давления насыщенного пара, т.е. давления пара в присутствии жидкой фазы в баллоне.

В процессе наполнения баллона первые порции сжиженного газа быстро испаряются и заполняют весь его объем, создавая в нем определенное давление. При уменьшении давления газ мгновенно испаряется. Испарение сжиженного газа в баллоне продолжается до тех пор, пока образовавшиеся пары сжиженного газа не достигнут насыщения. Это свойство пропана и бутана позволяет хранить газ в небольших объемах, что очень важно. В качестве примера рассмотрим рис. 1. Давление насыщенного пара бутана составляет 0,1 МПа при 0 °С и 0,17 МПа при 15 °С, а давление насыщенного пара пропана при этих же температурах 0,59 и 0,9 МПа соответственно. Это различие приводит к значительной разнице в давлении смеси при изменении пропорции пропана и бутана. Давление растет при увеличении температуры, что приводит к большим изменениям объема сжиженного газа, находящегося в жидком состоянии. Следовательно, если сжиженный газ в жидком состоянии полностью заполняет баллон и температура продолжает увеличиваться, то давление будет быстро расти, что может привести к разрушению баллона.

Поэтому баллон не заполняется сжиженным газом полностью, оставляется паровая подушка, объем которой равен 10% от полной емкости баллона. Эти два газа (пропан и бутан) различаются между собой температурой кипения, при которой они переходят из жидкого в газообразное состояние.

Пропан перестает переходить в газ и остается в жидком состоянии при температуре -43 °С, для бутана эта температура равна 0° С.

Компримированный (сжатый) природный газ (КПГ). Основным компонентом данного газа является метан СН₄. На борту автомобиля сжатый газ храниться в баллонах при давлении 20 мПа.

Характеристика компримированного газа для автомобилей в соответствии с межгосударственным стандартом СНГ

Наименование показателя	Значение	Метод испытания
1 Объемная теплота сгорания низшая, кДж/м3, не менее	31800	По ГОСТ 22667
2 Относительная плотность к воздуху	0,55-0,70	По ГОСТ 22667
3 Расчетное октановое число газа (по моторному методу), не менее	105	СН4 =110; С2Н6 =108 С3Н8 =108; С4Н10 =108
4 Концентрация сероводорода, г/м3, не более	0,02	По ГОСТ 22387.2
5 Концентрация меркаптановой серы, г/м3, не более	0,036	По ГОСТ 22387.2
6 Масса механических примесей в 1 м3, мг, не более	1,0	По ГОСТ 22387.4
7 Суммарная объемная доля негорючих компонентов, %, не более	7,0	По ГОСТ 23781
8 Объемная доля кислорода, %, не более	1,0	По ГОСТ 23781
9 Концентрация паров воды, мг/м3, не более	9,0	По ГОСТ 20060
Примечание - Значения показателей установлены при температуре 293 К (20°С) и давлении 0,1013 МПа.

Преимущества сжиженного и сжатого газа по сравнению с бензином:

1) более высокая детонационная стойкость;

2) меньшая цена;

3) более равномерное распределение по цилиндрам двигателя;

4) отсутствует разжижение картерного масла и смывание масляной пленки со стенок цилиндра и соответственно меньше износ деталей;

5) выше теплотворная способность;

6) меньше содержание СО и СН в отработавших газах

Недостатки сжиженного и сжатого газа по сравнению с бензином:

1) хуже наполнение цилиндров двигателя и как результат уменьшается его мощность на 15- 20%;

2) выше температура пламени (бензин- 750^оС, сжиженный газ- 990^оС; сжатый газ- 1325^оС) и как результат выше содержание окислов азота в отработавших газах и больше износ выпускных клапанов;

3) выше температура воспламенения (бензин: 230- 480^оС, метан: 537- 600^оС; пропан: 450- 465^оС; бутан: 475- 585^оС) и как следствие хуже пусковые качества при низких температурах(сжиженный газ: минус 5-7^оС, сжатый газ: +3 минус 1^оС);

4) более пожароопасен;

5) при использовании сжатого газа уменьшается грузоподъемность автомобиля (масса одного стального баллона 93 кг, пластмассового- 56 кг) и пробег на одной заправке ( объем одного баллона- 10 м³, что эквивалентно 10 л бензина);

6) автомобильные компрессорные газонаполнительные станции сложнее АЗС жидким топливом и должны размещаться за пределами городской черты

Сжиженный природный газ (СПГ). Метан сжижается при температуре минус 162^оС и эта температура должна поддерживаться на борту автомобиля, что усложняет использование СПГ в настоящее время.

Генераторный или синтез-газ получают непосредственно на борту автомобиля из угля, дров и т.д. в специальном газогенераторе.

Полученный генераторный газ (СО + Н₂)охлаждается, очищается и подается в цилиндры двигателя. Мощность двигателя при использовании синтез-газа уменьшается на 20-30%. Наиболее широко данный вид топлива использовали во время второй мировой войны, однако сейчас интерес к нему вновь возрождается.

Водород является самым распространенным газом на земле, однако отсутствует в свободном состоянии. Более 50% водорода в настоящее время получают конверсией из природного газа при высоком давлении, в присутствии катализаторов и при температуре800-1000^оС:

СН₄ + Н₂О > СО^ + 3 Н₂^_.Водород также является побочным продуктом процессов коксования твердых видов топлива и компонентом биогаза (см. ниже). Самое большое количество водорода содержится в воде: один км³ мирового океана содержит 1,13•10⁸ тонн водорода. Из воды водород можно получить в результате гидролиза:

Н₂О + энергия> О₂^ +Н₂^, однако необходимо иметь в виду, что водород представляет собой энергоноситель, не являясь энергоресурсом, т.е. для его получения необходимо затратить энергию. В силу этого водород не расширяет базу первичных энергоресурсов. Более того, энергетические затраты на его получение в настоящее время превышают энерговыделение при его сжигании. Теплотворная способность водорода в три раза выше жидких топлив, однако для сгорания 1 кг водорода необходимо в три раза больше кислорода и в результате теплотворная способность смеси водород-воздух ниже. Температура воспламенения водорода 590^оС, выше чем у бензина. Смеси водород-воздух характеризуются широким диапазоном воспламенения (4- 75% по объему) и взрывоопасности (18- 74% по объему), что ухудшает противопожарные свойства и повышает взрывоопасность топлива. Водород является самым экологичным видом топлива при его сгорании образуется дистиллированная вода, однако воздух содержит азот, поэтому выхлопные газы содержат NO_X.

Хранение водорода на борту автомобиля может быть осуществлено несколькими способами.

Хранение сжатого газообразного водорода в газовых баллонах и стационарных системах хранения. На сегодняшний момент, баллоны, устанавливающиеся на автомобиль, выдерживают давление в 35 МПа и обеспечивают пробег авто до 200 км. Для увеличения пробега до 500км необходимо повысить давление в баллонах до 70МПа, что достаточно проблематично. Помимо этого, для обеспечения требований безопасности, баллоны должны выдерживать ударное воздействие как минимум в два раза превышающее давление газа. Данный метод хранения наиболее дешев, но небезопасен, а баки для хранения громоздки и имеют большой вес: для хранения одного килограмма водорода необходим баллон массой 35кг.

Хранение жидкого водорода в криогенных контейнерах. В таких системах хранения водород находится в жидком состоянии, находясь в интервале температур между точкой замерзания минус 256^оСи точкой сжижения - минус 253^оС. Серьезной проблемой является также испарение водорода. За сутки, как правило, испаряется около 3% вещества вследствие просачивания водорода сквозь стенки контейнеров. Технология обеспечивает в отличие от предыдущего метода большую безопасность, но более сложна в производстве и имеет более высокую стоимость, тем не менее ведущие автомобильные фирмы выпускают такие автомобили, например BMV Hidrogen7. Низкотемпературный бакHidrogen7 вмещает 8 кг или примерно 170 л водорода. При полной заправке запас хода на водороде составляет 200 км. Процесс заправки осуществляется через узел2 и составляет 8 мин.

Хранение водорода на борту транспортного средства в химически связанном состоянии в виде гидридов. Практически все металлы и сплавы в каком-то приближении представляют собой плотную упаковку шаров; пользуясь школьными знаниями по геометрии несложно понять, что между шарами существуют пустоты, и именно в эти пустоты может входить водород, а затем при снятии внешнего давления и нагревании извлекаться из сплавов. Следовательно, необходимо «вдавить» водород в эти самые полости при повышенном давлении, например для сплава FeTi - 1 мПа, затем высвободить газ при умеренном нагревании или низком давлении. Расход энергии при этом в 10 раз ниже, чем при сжижении водорода. Недостатком такого способа является большая масса водородного аккумулятора (емкости, экостата), (например контейнер с LaNi, содержащий 0,5 кг водорода имеет массу 40-45 кг), а также долгий процесс их зарядки и относительно большие затраты энергии на нагрев, хотя подобная технология хранения на данный момент является наиболее перспективной. На рис 3 и 5 представлена одна из конструкций автомобиля с металлогидридной системой хранения водорода в баллоне 7 (рис 3) экостата. Нагрев термостата с водородом осуществляется в термостате 1(рис 5) жидкостью из системы охлаждения двигателя.

На стадии изучения и разработки находятся металлоорганические структуры MOFs и ковалент-органические каркасы СOFs. MOF-структуры представляют собой кристаллические губки с наноразмерными порами. Их можно сделать настолько пористыми, что один грамм MOF будет иметь общую поверхность, равную площади футбольного поля. Структурами MOF можно легко управлять, асами они могут производиться из относительно дешевых компонентов - например, оксида цинка (применяется в солнцезащитных кремах) и терефталата (применяется при производстве пластиковых бутылок).

СOFs - это органические пористые кристаллы с сильными ковалентными связями между атомами углерода, кислорода и бора и др., с высокой термостабильностью, большой удельной площадью поверхности и чрезвычайно малой плотностью. Уже первый образец нового материала - COF-108 - обладает рекордно низкой для кристаллических материалов плотностью и площадью поверхности 4500 квадратных метров на 1 г.

Еще более важно то, что группа под руководством профессора Омара Яги (OmarYaghi) научилась синтезировать подобные материалы с заданными свойствами и размерами пор в кристаллах. Это поможет создать материалы, оптимизированные для хранения водорода, метана, углекислого газа или других газообразных соединений.



Биогаз является продуктом ферментации (разложения) без доступа воздуха органических веществ. Разложение биомассы происходит под воздействием трёх видов бактерий. В цепочке питания последующие бактерии питаются продуктами жизнедеятельности предыдущих. Первый вид - бактерии гидролизные, второй - кислотообразующие, третий -метанообразующие. В производстве биогаза участвуют не только бактерии класса метаногенов, а все три вида.

Состав биогаза: 55-75% метана, 25-45% CO₂, незначительные примеси H₂ и H₂S. После очистки биогаза от СО₂ получается биометан СН₄. Биометан - полный аналог природного газа, отличие только в происхождении.

Сырьё для получения: органические отходы: навоз, зерновая и меласная послеспиртовая барда, пивная дробина, свекольный жом, фекальные осадки, отходы рыбного и забойного цеха (кровь, жир, кишки, каныга), трава, бытовые отходы, отходы молокозаводов - лактоза, молочная сыворотка, отходы производства биодизеля - технический глицерин от производства биодизеля из рапса, отходы от производства соков - жом фруктовый, ягодный, виноградная выжимка, водоросли, отходы производства крахмала и патоки - мезга и сироп, отходы переработки картофеля, производства чипсов - очистки, шкурки, гнилые клубни.

Выход биогаза зависит от содержания сухого вещества и вида используемого сырья. Из тонны навоза крупного рогатого скота получается 30-50 м? биогаза с содержанием метана 60%, 150-500 м³ биогаза из различных видов растений с содержанием метана до 70%. Максимальное количество биогаза - это 1300 м³ с содержанием метана до 87% - можно получить из жира. Кроме отходов биогаз можно производить из специально выращенных энергетических культур, например, из силосной кукурузы или сильфия. Выход газа может достигать до 500 м³ с тонны.

Производство: всего в мире в настоящее время используется или разрабатывается около 60-ти разновидностей технологий получения биогаза. Наиболее распространённый метод - анаэробное сбраживание в метатанках, или анаэробных колоннах (в русском языке термин не устоялся). Часть энергии, получаемой в результате сжигания биогаза

направляется на поддержание процесса (до 15-20% зимой). В странах с жарким климатом нет необходимости Автобус на биогазе - Берн, Швейцария подогревать метантанк. Бактерии перерабатывают биомассу в метан при температуре от 25°С до 70 °С. Для сбраживания некоторых видов сырья в чистом виде требуется особая двухстадийная технология. Например, птичий помет, спиртовая барда не перерабатываются в биогаз в обычном реакторе. Для переработки такого сырья необходим дополнительно реактор гидролиза. Такой реактор позволяет контролировать уровень кислотности, таким образом бактерии не погибают из-за повышения содержания кислот или щелочей.

Свалочный газ- одна из разновидностей биогаза. Получается на свалках из муниципальных бытовых отходов.

Для автомобилей биогаз используется так же как и природный газ. В 2006 году в Гетеборге построен самый большой завод по производству биогаза для автомобилей.

Проточная установка с горизонтальной стальной емкостью

1. Подвод навозной жижи

2. Навозная жижа

3. Миксер

4. Насос

5. Подвод свежей навозной жижи

6. Теплообменник

7. Трубочная мешалка

8. Забор газа

9. Подвод горячей воды

10. Отвод горячей воды

11. Отток перебродившего навоза



Газовые конденсаты - (природный газолин) - смесь жидких углеводородов, которые конденсируются при выходе природного газа на поверхность. Запасы ГК в мире весьма велики, по некоторым оценкам они составляют около 14 миллиардов тонн. По ряду характеристик ГК выгодно отличаются от нефти. Для них характерно относительно высокое содержание светлых фракций, практически полное отсутствие смолистых веществ и асфальтенов, относительно низкое содержание серы). Использование ГК для производства бензина и дизельного топлива представляется поэтому весьма выгодным.

В Молдову поставляются дизельные топлива на основе газовых конденсатов ГШЛ - летнее и ГШЗ - зимнее.

2. Спирты

Этаномл (этимловый спирт, метилкарбинол, винный спирт, часто в просторечии просто «спирт» или алкогомль) - C₂H₅OHилиCH₃-CH₂-OH, второй представитель гомологического ряда одноатомных спиртов. Существует 2 основных способа получения этанола-микробиологический (спиртовое брожение) и синтетический (гидратация этилена). Известный с давних времён способ получения этанола - спиртовое брожение органических продуктов, содержащих углеводы (виноград, плоды ит.п.) под действием ферментов дрожжей и бактерий (образование в клетках растений виноградного сахара происходит в соответствии с уравнением:6СО₂ + 6Н₂О + энергия = С₆Н₁₂О₆ + 6О₂.Этот процесс называется фотосинтезом, потому что необходимую для него энергию дает солнечный свет). Аналогично выглядит переработка крахмала, картофеля, риса, кукурузы, и прочее. Реакция эта довольно сложна, её схему можно выразить уравнением:C₆H₁₂O₆ > 2C₂H₅OH + 2CO₂ сжиженный газ автомобиль топливо

В промышленности, наряду с первым способом, используют гидратацию этилена: CH₂=CH₂ + H₂O > C₂H₅OH.

Метаномл (метиловый спирт, древесный спирт, карбинол, метилгидрат, гидрооксид метила) - CH₃OH, простейший одноатомный спирт, бесцветная ядовитая жидкость. Метанол - это первый представитель гомологического ряда одноатомных спиртов. Современный промышленный метод получения - каталитический синтез из оксида углерода CO и водорода 2H₂ (синтезгаз)при следующих условиях: температура - 250°C, катализатор - смесь ZnO (оксид цинка) и CuO (оксид меди); давление - 7МПа :CO + 2 H₂ > CH₃OH. Синтез газ получают газификацией твердого топлива (см. генераторный газ) или каталитической конверсией углеводородов природного газа с водяным паром: СН₄+Н₂0->СО+ЗН_2..

Преимущества спиртов по сравнению с бензинами:

1) высокая детонационная стойкость;

2) обеспечивается более полное и стабильное сгорание в камере сгорания двигателя, лучше наполнение цилиндров;

3) в результате более полного сгорания меньше выбросы СО и СН с отработавшими газами; намного меньше концентрация полициклических ароматических углеводородов в выхлопных газах;

4) в результате меньшей температуры горения спиртов меньше эмиссия окислов азота;

5) ресурсы получения биоэтанола являются возобновляемыми

Недостатки спиртов по сравнению с бензинами:

1) теплотворная способность спиртов на 30-40% меньше и как следствие почти в 2 раза больше расход топлива;

2) наличие в спиртах гидроксильной группы ОН повышает их химическую активность, что вызывает коррозию в первую очередь цветных металлов Pb,Sn, Cu, поэтому некоторые детали из меди и цинка заменяются на никелиевые;

3) спирты отрицательно воздействуют на прокладочные материалы бензиновых двигателей;

4) теплота испарения спиртов в 3 раза выше, ниже давление насыщенных паров, практически отсутствуют очень легкие фракции и как следствие у спиртов неудовлетворительны пусковые качества при низких температурах;

5) спирты гигроскопичны, а присутствие воды вызывает коррозию металлов;

6) выше эмиссия альдегидов с отработавшими газами;

7) метанол очень ядовит.

Наиболее часто спирты используются как добавка к бензинам. Оптимальная добавка спирта - от 5 до 20%; при таких концентрациях бензино-спиртовая смесь характеризуется удовлетворительными эксплуатационными свойствами и дает заметный экономический эффект. Одной из наиболее серьезных проблем, затрудняющих применение добавок спиртов, является низкая стабильность бензино-спиртовых смесей и особенно чувствительность их к воде. Различие плотности бензина и спирта и высокая растворимость последнего в воде приводят к тому, что попадание даже небольших количеств воды в смесь ведет к ее немедленному расслоению и осаждению водно-спиртовой фазы. Склонность к расслоению усиливается с понижением температуры, увеличением концентрации воды и уменьшением содержания ароматических соединений в бензине. Например, при содержании от 0,2 до 1,0% (об.) воды в топливной смеси температура расслаивания повышается от -20 до +10°С, т. е. такая смесь практически непригодна для эксплуатации. Для стабилизации бензино-спиртовых смесей используют присадки - пропанол, изопропанол, изобутанол и другие спирты.

За рубежом используются топлива под названием газохолЕ10 (10% этанола + 90% бензина), Е85 (85% этанола + 90% бензина), М15 (15% метанола + 85% бензина). В России в соответствии с ГОСТ Р 52201-2004топлива, содержащие5-10% этанола и 90-95% бензина, получили название бензанол.

3. Синтетические топлива из углей и сланцев

Синтетические топлива из угля могут быть получены путем пиролиза, гидрогенезации, газификации и ожижения органическими растворителями.

Пиролиз (греческ. pyros = огонь, lysis = растворение) это физико-химический процесс, который относится к относительно широкой группе термических процессов. Под пиролизом понимаем термическое разложение органических материалов при недоступности среды, содержащей кислород. Существом пиролиза является нагрев материала сверх предела термической устойчивости присутствующих органических соединений, что ведет к их распаду на постоянные низкомолекулярные продукты и твердый остаток.” Продуктом пиролизного разложения органических веществ является всегда газы (СО, Н₂, СН₄ и др.), жидкая фаза (смола) и твердый углеродный остаток (кокс). Смола представляет собой смесь углеводородов, в состав которой входит до 10 тысяч соединений и которая подвергается дальнейшей разгонке с целью получения жидких топлив.

Насыщение молекул водородом ( нефть содержит 12-15% водорода, а каменный уголь- 5%) назвали гидрогенизацией (от латинского слова «гидрогениум» - водород). При гидрогенизации мелко размолотый угольный порошок смешивается с тяжелыми маслами-смолами, также полученными из угля. Эту густую пасту специальные насосы подают в подогреватель. Сюда же нагнетается водород. Нагретая смесь идет в реактор - огромную стальную камеру высотой в пятиэтажный дом. Она весит около 100 т и обладает исключительной прочностью: ей приходится выдерживать давление до 70 мПа при температуре 500°. Молекулы угля, попав в камеру, распадаются. К «осколкам» молекул в местах разрыва присоединяется водород. Уголь перешел в жидкое состояние.

Для сжижения угля имеет значение не только соотношение между углеродом и водородом, но и размеры и строение новых молекул. Поэтому сложные реакции разложения и соединения идут в присутствии катализаторов. Обычно это окись железа, которая в виде порошка замешивается в угольную пасту. Продукт гидрогенизации - своеобразную искусственную нефть - подвергают дальнейшей переработке. Пары легких фракций при охлаждении конденсируются, сгущаются. Их пока немного. Основной продукт первичной гидрогенизации - средние и тяжелые масла. Чтобы «облагородить» их, превратить в легкие фракции, их направляют в следующую камеру - реактор. Здесь процесс гидрогенизации продолжается, но уже при меньшем давлении и температуре. В результате из каждой тонны угля, прошедшей через камеры, получается до 600 - 800 кг искусственного жидкого топлива и газов.

Газификация каменного угля осуществляется в результате его обработки кислородом и водяным паром:

Н₂О + С = СО^ + Н₂ ^; 2С + О₂ = 2СО^.

Сущность технологии подземной газификации угля заключается в бурении с поверхности земли скважин до угольного пласта, с соединением их в пласте одним из известных способов, в последующем розжиге (создании управляемого очага горения) угольного пласта и обеспечении условий для превращения угля непосредственно в недрах в горючий газ и в выдаче произведенного газа по скважинам на земную поверхность. Полученный синтез-газ (СО+ Н₂) используется как сырье для получения жидких топлив:

синтез-газ

¦> (катализатор Fe илиСо) > смесь углеводородов (процесс Фишера-Тропша)

¦> (катализатор Сu, Zn или Сr) > метанол СН₃ОН > очистка > конечный продукт

¦¦>(цеолитный катализатор) > бензины (MOBIL -процесс )

¦> (бифункциональный цеолитный катализатор) > бензины (MOBIL-процесс )

Процесс Фишера -Тропшаописывается следующими химическими уравнениями:

nCO + (2n + 1)•H₂>(катализаторСо )> C_nH_2n+2 + nH₂O;2nCO + (n + 1)•H₂>(катализатор Fe)> C_nH_2n+2 + nCO₂

Получаемые углеводороды очищают для получения целевого продукта - синтетической нефти. Процесс был изобретён в бедной нефтью, но богатой углём Германии в 1920-е для производства жидкого топлива. Он использовался Японией и Германией во время второй мировой войны для производства альтернативного топлива. Годовое производство синтетического топлива в Германии достигло более 124 000 баррелей в день ~ 6,5 миллионов тонн в 1944 году. В настоящее время две компании коммерчески используют свои технологии, основанные на процессе Фишера-Тропша. Shell в Бинтулу, Малазия, использует природный газ в качестве сырья и производит, преимущественно, малосернистое дизельное топливо. Sasol в Южной Африке использует уголь в качестве сырья для производства разнообразных товарных продуктов из синтетической нефти. Процесс и сегодня используется в ЮАР для производства большей части дизельного топлива страны из угля компанией Sasol. Процесс использовался в ЮАР для удовлетворения потребностей в энергии во время изоляции при режиме апартеида. Внимание к этому процессу возобновилось в процессе поиска путей получения малосернистых дизельных топлив для уменьшения наносимого дизельными двигателями вреда окружающей среде. Choren в Германии и CWT (ChangingWorldTechnologies) также построили заводы, использующие процесс Фишера-Тропша.

Схема разработанного фирмой "Мобил ойл" процесса включает превращение метанола в первом реакторе в диметиловый эфир на обычном кислотном катализаторе. Диметиловый эфир превращается во втором реакторе на цеолитном катализаторе ZSM-5 в высокооктановый бензин - углеводородную смесь, содержащую много ароматических соединений и разветвленных парафинов. Максимальное число атомов углерода в образующихся углеводородах не превышает десяти. Отсутствие углеводородов с высоким молекулярным весом объясняется малой величиной пор цеолита ZSM-5.В технологии МОБИЛ применение бифункциональных катализаторов позволяет осуществить производство синтетических моторных топлив из синтез-газа в одну стадию.

Ожижение каменного угля

Принципиальное различие в химическом составе угля и нефти заключается в разном соотношении водород/углерод (составляет около 0,7 для углей и порядка 1,2 для нефтей). Присоединением к углю дополнительного количества водорода можно получить "синтетическую нефть". Это достигается использованием молекулярного водорода или органических соединений, способных выступать в качестве доноров водорода. Лучшие результаты в ожижении угля получаются в присутствии катализаторов, активирующих молекулярный водород, и органических растворителей, способных легко отдавать атомы водорода (тетралин, крезол и другие). Например, раствор тетралина и крезола при температуре 427^оС и давлении 13,8 мПа растворяет до 75% каменного угля с получением жидких и газообразных топлив.

Технологии переработки угля в жидкое топливо порождают множество вопросов со стороны экологов. Наиболее серьёзной является проблема выбросов углекислого газа. Последние работы Национальной лаборатории по возобновляемым источникам энергии США (National Renewable Energy Laboratory) показали, что в полном цикле выбросы парниковых газов для произведённых из каменного угля синтетических топлив примерно вдвое выше своего основанного на бензине. Важной проблемой при производстве синтетического топлива является и высокое потребление воды.

4. Биологические топлива из растительных масел

Растительные масла (глицериды) представляют собой сложные эфиры глицерина и жирных органических кислот: RCOOCH₂CH(COOR)CH₂COOR. Для получения растительного масла используются десятки видов масляничных культур:

Наименование культуры	Количество получаемого масла, кг/га	Наименование культуры	Количество получаемого масла, кг/га	Наименование культуры	Количество получаемого масла, кг/га
Соя Лесной орех Семена тыквы Кориандр Горчица Шафран	374 405 449 450 481 653	Масляноедерево Подсолнух Арахис Мак Рапс Маслины	790 801 887 978 999 1019	Клещевина Авокадо Семена тыквы Пальма Водоросли	1188 2217 2260 5000 95000 л

В Европе для производства биологического топлива наиболее часто используют рапс. В соответствии с европейским стандартом ЕН 14214-2003 данное топливо получило название метиловые эфиры жирных кислот FAME.

Технология производства биодизеля

I ступень - в центральном стальном резервуаре подготовленная масса глицерида (растительное масло) всасывается и разогревается;

II ступень - к разогретому глицериду добавляются этанол и катализатор, причем, вся масса в ходе химических процессов переходит в метиловые эфиры жирных кислот и глицерин;

III ступень - полученный глицерин оседает на дно резервуара и высасывается; так как при данных условиях около 5% сырья не вступает в реакцию, эта ступень повторяется;

IV ступень - необработанный биодизель промывается водой, чтобы отмыть загрязняющие составляющие;

V ступень - за короткое время вода оседает внизу цистерны и высасывается (IV и V ступени могут повторяться несколько раз в зависимости от качества сырья);

VI ступень - цистерна подогревается, а затем создается вакуум; вода и этанол, не осевшие или не участвовавшие в реакции, из резервуара удаляются;

VII ступень - готовый биодизель перекачивается в цистерну-хранилище, после чего может начинаться новый производственный цикл.

Требования европейского стандарта ЕН 14214 Автомобильные топлива - метиловые эфиры жирных кислот (Fatty Acid Methyl Esters, FAME) для дизельных двигателей:

Свойство Единицы Минимум Максимум Метод тестирования Содержание метилового эфира жирных кислот % (m/m) 96.5 EN 14103 Плотность при 15°C kg/m3 860 900 EN ISO 3675, EN ISO 12185 Вязкость при 40°C mm¬2 3.5 5 EN ISO 3104 Температура вспышки °C 120 ISO / CD 3679 Сера mg/Kg 10 EN ISO 20846, EN ISO 20884 Углеродные остатки (в 10% остатка дистиллята) % (m/m) 0.3 EN ISO 10370 Цетановое число 51 EN ISO 5165 Сульфированная зола % (m/m) 0.02 ISO 3987 Вода mg/Kg 500 EN ISO 12937 Общее загрязнение mg/Kg 24 EN 12662 Коррозия (медной пластинка 3 часа при 50°C) класс Class 1 Class 1 EN ISO 2160 Стабильность к окислению, 110°C часов 6 EN 14112 Кислотное число mg KOH/g 0.5 EN 14104 Йодное число 120 EN 14111 Метиловый эфир олиноленовой кислоты % (m/m) 12 EN 14103 Полиненасыщенные (>= 4 двойных связей) метиловые эфиры % (m/m) 1 Метанол % (m/m) 0.2 EN 14110 Моноглицериды % (m/m) 0.8 EN 14105 Диглицериды % (m/m) 0.2 EN 14105 Триглицериды % (m/m) 0.2 EN 14105 Свободный глицерин % (m/m) 0.02 EN 14105, EN 14106 Общий глицерин % (m/m) 0.25 EN 14105 Щелочные металлы (Na + K) mg/Kg 5 EN 14108, EN 14109 Фосфор mg/Kg 10 EN 14107



АЗС для заправкибиодизелем

Наиболее перспективным источником сырья для производства биодизеля являются водоросли. По оценкам компании GreenStarProducts с 1 акра (0,4 га) земли можно получить 48 галлонов соевого масла, 140 галлонов масла канолы и 10000 галлонов из водорослей.Кроме выращивания водорослей в открытых прудах существуют технологии выращивания водорослей в малых, биореакторах, расположенных вблизи электростанций. Сбросное тепло ТЭЦ способно покрыть до 77% потребностей в тепле,необходимого для их выращивания.

Производство биодизеля различными странами

Страна	2004 г., тыс.тонн	2005 г., тыс.тонн	2006 г., тыс.тонн	2007 г., тыс.тонн
Австрия	57	85	123	267
Бельгия	-	1	25	166
Кипр	-	1	1	1
Чехия	60	133	107	61
Дания	70	71	80	85
Эстония	-	7	1	0
Франция	348	492	743	872
Германия	1035	1669	2662	2890
Греция	-	3	42	100
Венгрия	-	-	0	7
Италия	320	396	447	363
Великобритания	9	51	192	150
Латвия	-	5	7	9
Литва	5	7	10	26
Мальта	-	2	2	1
Польша	-	100	116	80
Португалия	-	1	91	175
Словакия	15	78	82	46
Словения	-	8	11	11
Испания	13	73	99	168
Швеция	1,4	1	13	63
Всего по странам Евросоюза	1933,4	3184	4890	5713
Страна	2004 г., млн.литров	2005 г., млн.литров	2006 г., млн.литров	2007 г., млн.литров
США	94,5	283,5	2200	-
Аргентина	-	25	50	-
Бразилия	-	-	-	450

сжиженный газ автомобиль топливо

Экологические аспекты применения

Биодизель, как показали опыты, при попадании в воду не причиняет вреда растениям и животным. Кроме того, он подвергается практически полному биологическому распаду: в почве или в воде микроорганизмы за 28 дней перерабатывают 99% биодизеля, что позволяет говорить о минимизации загрязнения рек и озёр. Сокращение выбросов СО₂. При сгорании биодизеля выделяется ровно такое же количество углекислого газа, которое было потреблено из атмосферы растением, являющимся исходным сырьём для производства масла, за весь период его жизни. Биодизель в сравнении с обычным дизельным топливом почти не содержит серы.

Пример завода по производствубиодизеля(Испания):

Мощность: 21,000 м3 биодизеля в год

Инвестиции: 8.2 млн евро

Персонал: 18 человек

Территория:6000 м2 (здания- 2300 м2)

Число реакторов: 3

Сырье: соевое масло, пальмовое масло

Хранение масла: 300 м3

Емкости для метанола: 60 м3

Емкости для готовогобиодизеля (B100): 400 м3

Емкости для глицерина: 100 м3

Недостатки: в холодное время года необходимо подогревать топливо, идущее из топливного бака в топливный насос.

Размещено на Allbest.ru