2 Екологічні проблеми застосування альтернативних палив

Сьогодні проблема екологічності палива набула самостійного та першочергового значення у зв’язку з більш жорсткими вимогами до самих палив і продуктів їх згоряння. Ці вимоги зазначені у ряді міжнародних документів, на які орієнтована й Україна.

Відомо, що паливо для двигунів транспортних засобів є токсичною речовиною, здатною викликати захворювання або відхилення у стані здоров’я людей, що з ним контактують. Забруднення довкілля нафтопродуктами відбувається внаслідок їх випаровування і витоків, викидів в атмосферу продуктів неповного згоряння палив під час роботи двигунів.

Найбільший вплив на довкілля спричиняють автомобільні палива ( 70% ). Перспективи розвитку автомобільного транспорту досить широкі, що свідчить про посилення антропогенного вплив на навколишнє середовище. Разом із великими об’ємами виробництва автомобільних бензинів збільшується виробництво і споживання дизельного палива. Дизельний транспорт – одне з головних джерел забруднення навколишнього природного середовища оксидами сульфуру, нітрогену, частинками сажі, а також токсичними ароматичними вуглеводнями. У викидах автомобіля міститься близько двохсот видів токсичних речовин, серед яких – оксиди карбону, нітрогену, сульфуру, важких металів, концерогенні й мутагенні сполуки, вуглеводні, альдегіди, аерозолі. За рік легковий автомобіль забирає з атмосферного повітря 4350 кг оксигену, а замість нього викидає 3250 кг диоксиду карбону і 530 кг оксиду карбону, 90-150 кг вуглеводнів, що не згоріли, 40 кг оксидів нітрогену.

Інтенсивність шкідливих викидів одним тепловозом аналогічна викидам 15-20 вантажних або 40-60 легкових автомобілів, а літак ТУ-154 при зльоті й посадці викидає в атмосферу в 100 разів більше шкідливих речовин ніж автомобіль. Пари палива шкідливі та отруйні, а при накопичені в повітрі вище ГДК вони становлять небезпеку для людини, рослинного і тваринного світу, а також можуть призвести до виникнення пожеж. При безпосередньому вдиханні повітря, що містить пари бензину в кількості 5-10 мг/л, настає гостре отруєння організму.

Одним з основних компонентів, що забруднюють атмосферу й негативно впливають на людину, є вуглеводні. Їх наявність свідчить про погану організацію процесу сумішоутворення й згоряння або нестачу оксигену в паливноповітряній суміші двигуна. Під дією сонячного світла вуглеводні вступають у фотохімічні реакції з оксидами нітрогену з утворенням широкого спектра речовин (пероксидів, озону та ін.), які прискорюють корозію різних металів, шкідливо діють на рослинність, а також є однією із причин утворення «смогу», здатного викликати легеневі та інші захворювання.

Ще одна причина забруднення атмосферного повітря – випаровування палив при їх транспортуванні зберіганні, технологічних операціях зливу, наливу, заправлені, а також випаровування з паливних систем транспортних засобів. Серед усіх видів втрат ці дістали клас «безповоротних», частку яких регламентовано відповідно до норм втрат нафтопродуктів. При цьому очевидним є той факт, що зі збільшенням масштабів споживання нафтопродуктів зростають і збитки, що наносять економіці й екосистемі в наслідок природних втрат. У табл. 2.1 і 2.2 наведені екологічні норми, яким мають задовольняти автомобільні палива. Щодо нормативів продуктів згоряння(табл.2.3), то їх додержання досягається удосконаленням конструкції автомобілів і поліпшенням складу палива.

Таблиця 2.1 - Деякі екологічні показники якості автомобільних бензинів

Показник	Правила ЄЕК ООН №83 і №49	Євро-3	Євро-4
Концентрація свинцю, мг/дм3, не більше	0,013	0,005	-
Масова частка сульфуру, %, не більше	0,10	0,015	0,003
Продовження таблиці 2.1
Показник	Правила ЄЕК ООН №83 і №49	Євро-3	Євро-4
Об’ємна частка бензолу, %, не більше	не нормується	1	1
Ароматичні вуглеводні, %, не більше	55	42	30
Вміст олефінів, %, не більше	25	18	14

Таблиця 2. 2 - Деякі екологічні показники якості дизельнах палив

Показник	Правила ЄЕК ООН №49	Євро-3	Євро-4
Цетанове число, не менше	45	49	51
Масова частка сульфуру, %, не більше	0,3-0,5	0,05	0,035
Вміст ароматичних вуглеводнів, %, не більше	не нормується

Таблиця 2.3 - Граничнодопустимі викиди двигунів легкових автомобілів

Нормуючий документ	Тип двигуна	Рік введення Європа	Гранично допустимі викиди, г/км
			CO	CH	NO	CH+ NO	Тверді частинки
Євро-2	Бензиновий	1996	2,2	-	-	0,05	-
	Дизельний		1,0	-	-	0,7	0,08
Євро-3	Бензиновий	2000	2,3	0,2	0,15	-	-
Євро-4	Бензиновий	2005	1,0	0,1	0,08	-	-
	Дизельний		0,5	0,1	0,25	0,3	0,025

Основні екологічні вимоги до палив зводяться до такого:

- відмова від сполук свинцю при виробництві автомобільних бензинів;

- суворе обмеження вмісту бензолу в автомобільних бензинах;

- обмеження вмісту ароматичних вуглеводнів, особливо полі циклічних, в бензинах і дизельних паливах;

- обмеження вмісту олефінових вуглеводнів в автомобільних бензинах;

- обмеження вмісту сульфуру в бензинах і дизельних паливах;

- поступове обмеження емісії продуктів неповного згоряння: монооксиду карбону, вуглеводнів, твердих частинок, а також оксидів нітрогену.

Крім того всесвітня паливна хартія не рекомендує вводити в світлі палива зольні компоненти, а Каліфорнія, законодавець «Екологічні моди» на автомобільні палива, ввела обмеження на вміст нітрогену в паливах для дизельних двигунів. Дискутується також питання про необхідність зниження викидів диоксиду карбону.

Для того, щоб з’ясувати, який внесок у розв’язання цих проблем може зробити застосування альтернативних палив, дамо оцінку їх фізико-хімічних і експлуатаційних характеристик порівняно з традиційними паливами (табл.2.4). Газоподібні природні, спиртові палива, етери, водень не містить сульфуру, олефінових і ароматичних вуглеводнів, тобто при їх використанні екологічна проблема охорони від сульфуровмісних сполук, поліциклічних ароматичних вуглеводнів, та інших шкідливих сполук практично відпадає. Введення в бензини спиртів і їх похідних підвищує октанове число бензинів, що знімає гостроту питання щодо необхідності відмови від етильованого бензину, а також дає змогу знизити в ньому вміст ароматичних вуглеводнів. Більш складним є питання про взаємозв’язок параметрів потужності двигуна і токсичності продуктів спалювання.

Уявлення про взаємозв’язок токсичності продуктів згоряння і параметрів роботи двигуна, окрім аналізу даних, наведених в табл.2.2-2.5, дають такі основні закономірності справедливі при стехіометричному складі паливної суміші:

- емісія СО і вуглеводнів зростає з підвищенням співвідношення С/Н в паливі і зменшується з підвищенням температури паливної суміші;

- емісія оксидів нітрогену збільшується з підвищенням температури згоряння паливної суміші;

- потужність двигуна і його економічність зростають з підвищенням теплотворної здатності паливної суміші;

- використання палива і відповідно пробіг автомобіля при однаковій заправці збільшується зі зменшенням теплоти згоряння палива;

- емісія СО₂ зменшується зі зменшенням співвідношення С/Н і зі зниженням витрат палива, тобто з підвищенням економічності двигуна.

Таблиця 2.4 - Фізико-хімічні і експлуатаційні характеристики традиційних і альтернативних палив

Показник	Автомобільний бензин	Дизельне паливо (літнє)	Метанол	Етанол	ДМЕ	Стиснутий нафтовий газ	Зріджений природній газ	Водень	Біодизель
Густина(20°С),кг/м3	740-760	820-850	795	789	2,091	150*	550	70**	875-900
Вязкість(20°С),мм2/с	0,5-0,7	3,5-6,0	0,55	1,76	-	-	-	-	3,5-5,0
Температура, °С:
-застигання	60	-10	-98	-115	-138	-182	-187	-259	0+-5
-кипіння	35-200	180-360	65	78	-25	-162	-42	-253	200
-спалаху	0	40	8	13	-41	-	-	-	100
-самозаймання	350-00	230-300	464	423	350	650-700	550-600	500-510	300-390
Октанове число (дослідний метод)	92-98	-	104-115	106	-	100-110	90-110	30-40	20-25
Цетанове число	-	45-51	3-5	8	55	-	18-22	45-90	50-55
Співвідношення С/Н, за масою	5,5	6,5	3	4	4	3	4,5	-	6,5
Вміст сульфуру, %	0,05	0,1	0,0	0,0	0,0	0,0	0,003	0,0	0,1
Теплота згоряння нижча, МДж/кг	41-44	42-43	20	25	25	49-50	45-46	118	37-38
Стехіометрична кількість повітря для повного згоряння, кг/кг	14-15	14,0-14,5	6,5	8,5	8,9	17,0-17,5	15	34,8	13,5-14,0
Максимальна температура горіння,°С	2060	2100	1910	1960	-	2020	2030	2180	2000

Крім того , треба брати до уваги різну здатність палива відкладень і нагарів на деталях паливного обладнання і камери згоряння. Відкладення порушують нормальний режим горіння, призводить до зменшення економічності роботи двигуна і підвищенні токсичних викидів продуктів неповного згоряння. Найбільш суттєво сприяють цьому ароматичні і олефінові вуглеводні, а присутність оксигенновмісних сполук, навпаки сприяє зменшенню відкладень та нагарів.

Таблиця 2.5 – Сумарна емісія вуглекислого газу (г/кВт)при виробництві і застосуванні різних видів палива

Паливо	Двигун	Емісія СО2
Бензин із нафти	Бензиновий	327
Стиснутий природний газ	-II-	224
Зріджений природний газ	-II-	276
Етилтретбутиловий етер	-II-	408/278*
Етанол	-II-	530/169*
Дизельне паливо з нафти	Дизельний	308
Диметиловий етер	-II-	318
Рослинні олії	-II-	410/201*
Водень рідкий	-II-	627

Примітка.* з урахуванням СО₂ поглинутого під час вирощування біомаси.

Таким чином, при використанні спиртів і газоподібного палива зменшуються викиди вуглеводнів, оксиду карбону і оксидів нітрогенів, а водень як паливо повністю усуває небезпеку утворення оксиду карбону і вуглеводнів, але в цьому разі зростає емісія оксидів нітрогену. Що стосується витрат палива, то у випадку спиртів вони зростають приблизно вдвічі, а при використанні газоподібного палива – знижуються. Потужність двигуна, навпаки у випадку спиртів дещо зростає , а при роботі на газоподібному паливі та водні зменшується. Пояснення цьому слід шукати в особливостях стехіометричного складу горючої суміші.

Зазвичай, наведена оцінка ефективності альтернативних палив, зокрема їх екологічності, досить орієнтовна і потребує корегування з урахуванням двох обставин. По-перше ефективність застосування того чи іншого виду палива справедливо оцінювати у повному циклі, тобто з урахуванням їх виробництва, транспортування. Такий аналіз дає найбільш об’єктивну картину. Наприклад, в табл. 2.5 наведені дані про сумарну емісію вуглекислого газу в процесі виробництва і використання деяких видів палива.

Виявляється, що водень за цим показником – не найкраще паливо, а є більш прийнятні види палива із поновлюваної рослинної сировини.

По-друге, слід взяти до уваги ту обставину, що конструктори двигунів прагнуть найбільш повно використати переваги палив і технічними рішеннями компенсувати їхні недоліки.

Проблема адаптації нових палив до існуючих двигунів ускладнюється тим, що технічний парк розроблявся в розрахунку на рідкі нафтові палива, з орієнтацією на них конструювались двигуни, створювалась інфраструктура, розроблялись відповідні технічні положення, і накопичувався певний практичний досвід. Тому на першому етапі, необхідно іти на компроміс між вимогами до палива, що визначаються існуючими двигунами, і можливостями палив окремої природи. Ця теза не стосується продуктів зрідження вугілля або біомаси(штучне рідке паливо), бо традиційними процесами нафтопереробки вони можуть бути перероблені в палива, що повністю відповідають нафтовим аналогам. Однак у випадку використання інших палив, не схожих на традиційні вуглеводневі, виникають певні вимоги, для дотримання яких двигун повинен пройти невелику модифікацію, або ж альтернативні палива вводяться в стандартні в кількостях, що не змінюють їх експлуатаційні властивості.