4.3.Спирты, водород и другие топлива

Наиближайшими заменителями бензинов и дизельных топлив считают низкомолекулярные спирты: метанол, этанол, более отдаленным – водород. Эти топлива можно использовать как добавки к нефтяному топливу, а также как самостоятельные топлива. Как топливо или добавки можно использовать изо-спирты, эфиры и некоторые другие соединения, но они дороже.

Метанол можно получать из угля. Природного газа, известняка, бытовых отходов (городские свалки), отходов лесного хозяйства и пр. Этанол получают из сахарного тростника, свеклы, зерновых культур, картофеля и других растительных продуктов, а также из газа. В отношении восстановления сырьевой базы этанол является более перспективным топливом, он также менее токсичен по сравнению с токсичностью метанола. Этанол имеет некоторые преимущества по сравнению с бензином, если его использовать как топливо для двигателей с принудительным зажиганием. Двигатель на этаноле работает на обедненных смесях, в отработанных газах малое содержание оксидов азота. Благодаря большому значению октанового числа этанол (в чистом виде) целесообразно использовать в двигателях с высокой степенью сжатия. Всё это позволяет достичь высокой эффективности работы двигателя. Бензиновые двигатели для использования чистого этанола как топлива не годятся, необходимы специальные «спиртовые» двигатели. В Украине этанол используется как высокооктановая добавка к бензинам.

Недостатком спиртов как топлива является меньшая теплота горения по сравнению с теплотой горения нефтяных топлив, что требует повышения их расхода на 25..30% и соответственно сокращает радиус действия автомобиля. С другой стороны, высокие октановые числа позволяют увеличить степень сжатия двигателя. Высокое значение теплоты выпаривания способствует лучшему наполнению цилиндров. Благодаря наличию кислорода в молекулах спиртов последние являются хорошими холодоагентами камеры сгорания. При работе на спиртах (по сравнению бензином) выше эффективный КПД двигателя, потому что меньший теплоотвод в цилиндрах, более низкая температура отработанных газов. Всё это дает возможность повысить мощность двигателя и компенсировать некоторые недостатки.

Пуск двигателя на чистом спирте практически невозможен, его обеспечивают на бензине. Спирты имеют высокую коррозийность, которая может повышаться вследствие гигроскопичности спиртов: чем больше влаги, тем больше коррозийность. Метанол реагирует со свинцом, разрушает бензобак, продукты коррозии забивают фильтры, топливопроводы, жиклеры карбюратора. Также метанол активно реагирует со сталью, цинком, магнием, сплавами на их основе, разрушает пластмассу, резину. Этанол реагирует со свинцом, магнием, слабее – с алюминием.

Спирты влияют на большинство прокладочных материалов, вызывая их набухание.

Двигатель на метаноле может работать на обедненных смесях при α = 1,05…1,1, имеет большую границу регулирования состава топливо-воздушной смеси по сравнению с бензиновым двигателем, в отработанных газах содержание оксидов азота уменьшается в 1,4…2 раза, углеводородов – в 1,3…1,7 раз, содержание оксидов углерода при этом приблизительно одинаковое с содержанием его при работе двигателя на бензине. Что бы сберечь технико-экономические показатели автомобилей при переводе двигателя, например, на метанол необходимо установить приспособления для облегчения пуска двигателя, особенно при низких температурах воздуха, потому что выпаривание метанола сильно зависит от снижения температуры. При температурах ниже +8*С необходимо проводить предпусковое прогревание горючей смеси (при отсутствии специального приспособления для облегчения пуска двигателя). Приспособления работают на бензине либо другом топливе.

В связи с тем, что метанол имеет высокую теплоту выпаривания, работа на нем ведет к значительному переохлаждению двигателя, если он не переоборудован на работу на спирте. Переохлаждение топливо-воздушной смеси вызывает, в свою очередь, неравномерность распределения топлива в цилиндрах. Во избежание этого явления следует подогревать воздух, который поступает для приготовления горючей смеси. Пары этанола и жидкий метанол больше всего вредны для здоровья человека, чем пары бензина. Однако ряд стран проводят исследования и используют метанол в бензиновых двигателях и дизелях. Использование спиртов в дизелях может быть осуществлено в виде заведомо приготовленной смеси спирта с дизельным топливом, а также путем переоборудования дизеля для работы его на чистом спирте. При этом дизель утрачивает свои преимущества подобно переводу дизеля на работу на чистом углеводородном газовом топливе.

Топливо-энергетические ресурсы истощаются. Спирты могут и должны использоваться как добавки к нефтяному топливу. Этанол как возможное топливо для двигателей известно уже давно. Как добавка к бензинам (с целью повышения октанового числа и экономии нефтяного топлива) он использовался, например, для изготовления топлива под названием «газахол» (бензин + спирт); для изготовления смешанных топлив (бензин + этанол).

Этанол – низкомолекулярный спирт. Низкомолекулярные спирты С₁ – С₃ имеют высокие октановые числа, но они смешиваются с водой в любых соотношениях. Это является причиной расслоения бензиново-спиртовых смесей в случаях наличия воды в топливной смеси. Поэтому при добавках этанола (или метанола) к бензинам вводят стабилизаторы, которые бы обеспечивали однородность смешанного топлива. Как стабилизаторы можно использовать сивушное масло, алифатичные спирты С₃ – С₁₂ разветвленного и нормального строения, фенолы, алкилацетоны, простые и сложные эфиры, алкилкарбонаты, алифатичные кислоты и другие соединения, их смеси. Сивушное масло и эфир МТБЭ обеспечивают стабильность бензиново-спиртовых смесей до температур, ниже минус 30*С. Как свидетельствуют исследования, если в составе топлива есть высокооктановые добавки, содержащие азот (например, производные анилина), и спирт в количестве больше 2,5...5%, стабильность смешанного топлива ухудшается. Чем ниже октановое число выходного бензина, к которому добавляется спирт, тем больший антидетонационный эффект (табл.50).

Таблица 50

Влияние этанола на октановое число бензинов

Содержание спирта в смеси с бензином, % об.	Октановое число смеси
	№ 1*	№ 2*
0	70	65
5	-	68
10	71,5	72,5
15	-	77
20	73	-

*Бензины №1 и №2, к которым добавляется спирт, имеют разные октановые числа.

Возможно использование как добавок к топливу третичных и вторичных спиртов (например, вторичного бутилового спирта – ВБС), метилтретичного бутилового эфира – МТБЭ, их смесей и др. В отличие от метанола и этанола эти соединения практически не расслаиваются в смесях с бензинами, имеют высокие октановые числа и теплоту горения.

Теоретически как топливо можно использовать амиак, азот, ацетон и некоторые другие соединения. Исходя из стоимости сырья и готовой продукции, эксплуатационных и экологических свойств, они не получили практического применения.

Использование водорода как топлива требует более долгого времени для решения ряда проблем. Это, прежде всего, размещение водорода на автомобиле. Использование водорода в газоподобном состоянии требует иметь баллоны большой массы и большого объёма. Водород в жидком состоянии может храниться в криогенных аппаратах при температурах минус 252,8*С и ниже. Для обеспечения пробега автомобиля в 450..500 км масса бензинового бака составляет приблизительно 13…15 кг (для хранения 50…55 кг бензина), а для хранения 13,4 кг сжатого водорода масса системы составляет 1361 кг, жидкого водорода – 181 кг. Хранение водорода в безопасных металлогидридных аккумуляторах (магниево-никелевых, железо-титановых и др.) не дает возможность накапливать его в достаточном количестве, т.к. ёмкость аккумуляторов малая при общей большой массе. Например, масса магниево-никелевого аккумулятора составляет приблизительно 300 кг и обеспечивает пробег автомобиля 200 км.

Водород имеет способность проникновения через толщу металла и разрушает его.

Очень большая скорость сгорания водорода вызывает большие тепловые и механические нагрузки в деталях двигателя. Малая энергия, необходимая для воспламенения, может вызвать неуправляемое самовоспламенение топлива. Водород способный проникать через толщу металла, с повышением температуры и давления диффузия водорода в металлы повышается. Жидкий водород может вызвать распад некоторых металлов. Водородно-воздушная смесь имеет большую границу воспламенения (4..75% об.) и взрывоопасности (18,3…74% об.).

Водород – самый легкий из всех газов, он почти в 134,5 раза легче воздуха. Водород очень отличается от традиционных топлив по физико-химическим показателям качества (табл.51).

Таблица 51

Показатели качества водорода и бензина

Показатели	Бензин	Водород
Густота при норм. условиях, кг/м3	720…790	0,09
Агрегатное состояние	Жидкость	Газ
Температура кипения, *С	30…205	-252,8
Температура застывания, *С	-60…-80	-259,1
Теплота сгорания низшая, МДж/кг	~42,70	120
Условия хранения	обычные	-253*С и ниже

Он имеет наивысшую теплоту горения из всех традиционных и альтернативных топлив, по массовой энергоемкости водород превышает нефтяные топлива в 2,5…3 раза, спирты – в 5…6 раз. Водород воспламеняется в смеси с воздухом в широком диапазоне, включительно до коэффициента излишка воздуха 10, поэтому водород обеспечивает стабильную работу двигателя на всех скоростных режимах при составе смеси от α = 0,2 до α = 5. Сгорание водородно-воздушных смесей происходит практически при постоянном объёме (в стехиометричной области); высокие скорости сгорания резко повышают давление. Это иногда провоцирует обратные проскоки пламени во впускной трубопровод, преждевременное воспламенение топливных смесей. Усовершенствование топливоподающей системы может ликвидировать эти недостатки. Для уменьшения температуры рабочего цикла необходимо усовершенствование конструкции самого водородного двигателя.

Отработанные газы водородных двигателей имеют значительно меньшее количество токсичных соединений по сравнению с токсичностью отработанных газов бензиновых двигателей. Одним из недостатков водородного топлива является повышенное содержание оксидов азота в отработанных газах. Другим недостатком водородных двигателей является возможность образования пероксида водорода Н₂О₂ при сгорании водорода. Пероксид водорода в отработанных газах дополнительно загрязняет окружающую среду. Для его распада на воду и кислород на автомобилях необходимо монтировать дополнительные преобразователи (термические или химические).

что образуется при некоторых нефтехимических процессах. Бензины синтеза из синтезгаза требуют дальнейшей переработки с целью повышения октанового числа; дизельная фракция может использоваться как высокоцетановый компонент

С целью изготовления топлив как сырье может использоваться синтез-газ (смесь оксида углерода и водорода), что образуется при некоторых нефтехимических процессах. Бензины синтеза из синтезгаза требуют дальнейшей переработки с целью повышения октанового числа; дизельная фракция может использоваться как высокоцетановый компонент топлива (дизельная фракция имеет высокую температуру застывания, на что необходимо обращать внимание при изготовлении товарного бензина).

Газы нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводов содержат насыщенные и ненасыщенные углеводороды. Методами синтезов таких газов получают жидкие топлива, в частности, высокооктановые компоненты: алкилаты, ароматичные углеводороды, метил-третично-алкиловые эфиры (метил-трет-бутиловый с октановым числом 105/М и 118/И и метил-трет-амиловый с октановым числом 99/М и 112/И); бензин с октановым числом 81/М и 96/И, полимер-бензин с октановым числом 82…85/М и 95…98/И.

Использование высокооктановых бензинов требует увеличения изготовления высокооктановых компонентов, а истощение природных ископаемых требует всё большего использования разных добавок к нефтяному топливу.

К альтернативному топливу можно отнести и электрику. Электромобили, которые используют металло-кислотные, металло-щелочные аккумуляторы, невзирая на позитивное решение экологичной проблемы по сравнению с бензиновыми и дизельными двигателями, не найдут широкого использования вследствие недостаточной энергии (энергоёмкости). Изготовление аккумуляторов требует больших топливно-энергетических затрат. В процессе добычи металлов, изготовления и зарядки аккумуляторов (от получения сырья для изготовления аккумуляторов до готового состояния) имеет место загрязнение окружающей среды, включая решение вопроса полной и экологически чистой утилизации отработанных аккумуляторов.

Перспективное использование биогаза, который можно получать из биомассы, например, отходов с/х производства. Теплотворная способность биогаза составляет 20...25 МДж/кг. Износ двигателей, работающих на биогазе, меньше по сравнению с износом двигателей, работающих на бензине.

Находит использование биотопливо дизелей, которое получают из рипакового масла и одноатомных спиртов, в частности, этилового.

При разработке и использовании альтернативного топлива следует учитывать экономические, экологические вопросы, а также проводить химотологичное обоснование их эффективного использования.