3 Спиртові альтернативні палива

Альтернативні спиртові палива - це головним чином, біоетанол, метанол і бутанол. На сьогодні найбільш поширеним серед спиртових палив є етанол.

3.1 Біоетанол

Ідея використання етанолу як палива не нова. Ще в 1826р. американський винахідник Семюель Морі створив двигун, що працював на спирті та скипидарі. У 1876р. німецький винахідник Ніколас Отто створив перший у світі чотиритактний двигун внутрішнього згоряння, що працював на етанолі. А в 1896р. американський винахідник Генрі Форд сконструював свій перший автомобіль, двигун якого працював на спирті. Цікаво, що Форд тоді не оцінив досвід німецьких інженерів Карла Бенца і Вільгельма Даймлера, які за десятиліття до цього створили автомобіль,що працював на бензиновому двигуні.

У 1908р.Г.Форд випустив перший в історії масовий автомобіль, який міг працювати на бензині, етанолі та сумішах обох видів палива – так званий Ford Model T, що був першим комерційним flex-fuel (FFV) автомобілем.

Flexible-fuel vehicle (FFV) – автомобіль з гнучким вибором палива – може їздити як на бензині ,так і на суміші бензину з етанолом, причому в гнучких пропорціях від 5 до 95.

Такий автомобіль має один паливний бак. Адаптованість до різного складу палива досягається за рахунок оригінальної конструкції двигуна або за рахунок конструктивної модифікації звичайного бензинового двигуна внутрішнього згорання.

Свого часу Форд застосовував етанол, виходячи, зокрема, і з економічних міркувань. З 1861р. в США діяли високі податки на спирт, введені під час громадянської війни. У1906р.податки на спирт були різко зменшені, що зробило ціну етанолу порівняно з ціною бензину. Крім того, Генрі Форд був фермером і вважав, що «спиртове автомобілебудування допоможе селянам».

За чверть століття виробництво етанолу в світі виросло майже у 10 разів, причому особливо помітний приріст був зареєстрований в останні роки. На світовому ринку виробництва спирту для транспортних потреб лідирують США і Бразилія. При цьому в Бразилії спирт ,вироблений з цукрової тростини, забезпечує до 30% потреб країни в автомобільному паливі (у США – приблизно 2%).

Етанол з 1990р.в невеликих кількостях додають у звичайний бензин, щоб зменшити кількість шкідливих викидів. Паливо, в якому використовується біоетанол, має індекс Е. Цифра, що йде після індексу Е, позначає відсоток вмісту спирту в паливі. Наприклад, паливо Е10 містить 10% спирту й 90% бензину, а Е100 – містить 100% етилового спирту.

Е5,Е7,Е10 – суміші з низьким вмістом етанолу (5,7 і 10 масових відсотків відповідно), найпоширеніший в наші дні. У цих випадках добавка етанолу не тільки заощаджує бензин його заміщенням, а й дає змогу видалити шкідливу оксигенну добавку – метилтретбутиловий етер (МТБЕ).

Е20 – суміш 20% етанолу і 80% бензину, використовують у flex –fuel автомобілях. Вона знижує витрати бензинового палива на 15%

Е85 – суміш 85% етанолу і 15% бензину. Стандартне паливо для flex –fuel машин, поширених, в основному у Бразилії та США і меншою мірою – в інших країнах. Завдяки нижчій енергетичній густині продається дешевше ніж бензин.

Е100 – формально 100% етанол, однак у силу гігроскопічності його одержання й використання без залишкової концентрації води невигідне. Тому в більшості випадків під Е100 мають на увазі стандартну азеотропну суміш етанолу (96% С₂Н₅ОН і 4% мас. води, 96,5 і 3,5% об.).

Добавка 5% етанолу до бензину не погіршує його експлуатаційних характеристик і не потребує попереднього регулювання карбюратора. За кордоном уже досить широко застосовують суміші 10% етанолу з бензинами, що не вимагає модифікації чи додаткового регулювання існуючих карбюраторних двигунів. Такі суміші одержали назву «газохоли». У табл. 3.1 наведені порівняльні показники газохолу і традиційного нафтового палива.

Таблиця 3.1 – Показники газохолу Е10 і нафтового палива

Паливо	Густина, кг/м3	Границі википання, °С	Теплота згоряння, МДж/кг	Тиск насичених парів за температури 36° С, кПа
Бензин А-92	720-780	35-215	44,0	79,9
Газохол Е-10	730-760	25-210	41,9	55-110

Для палива, що містить більшу кількість спирту, і особливо для чистого спиртового палива, необхідне спеціальне устаткування. Враховуючи специфічні властивості етанолу, такі як низька теплотворна здатність, детонаційна стійкість тощо, переведення автомобіля на роботу на чистих спиртах включає такі обов’язкові операції:

– збільшення розмірів паливних баків (у випадку необхідності заправочного пробігу);

– збільшення ступеня стискання двигуна до 12-14 задля повного використання детонаційної стійкості палива;

– переведення карбюратора на вищі витрати палива й більший ступінь збіднення суміші.

Завдяки високим антидетонаційним властивостям етанол використовують переважно у двигунах внутрішнього згоряння з іскровим запалюванням. Низький тиск його насичених парів і висока теплота випаровування роблять неможливим пуск карбюраторних двигунів уже при температурах нижчих за +10 С. Для покращення пускових властивостей в етанол додають 4-6% ізопентану або 6-8% диметилового етеру, що забезпечує нормальний пуск двигуна при температурі навколишнього середовища від -20 до -25С. З цією ж метою спиртові двигуни обладнують спеціальними пусковими підігрівачами.

Використання спирту в дизелях ускладнюється низьким цетановим числом, високою температурою самозаймання і поганими змащувальними властивостями. Дизелі можуть працювати на спиртових паливах при використанні суміші спиртів і дизельного палива з підвищеним цетановим числом, введенні у паливо активуючих присадок, подачі спиртів у пароподібному вигляді, переобладнанні дизеля на двигун з іскровим запаленням. Серед зазначених варіантів найкращий – додавання до спиртів присадок. Як присадки, що покращують займистість етанолу, використовують циклогексанолнітрат, ізопропілнітрат, пентілнітрат.

Використання чистого спирту як в карбюраторних так і в дизельних двигунах призводить до підвищеного зношення деталей циліндропоршневої групи. Крім того, спирт та його корозійно-агресивні продукти згоряння (формальдегід, ацетальдегід, мурашина кислота) впливають на алюміній, сплави свинцю та міді. Для забезпечення надійної експлуатації двигуна і зниження зношування при роботі на чистому етанолі необхідні спеціальні моторні оливи.

3.1.1 Фізико-хімічні властивості і одержання біоетанолу

Біоетанол-етиловий (винний) спирт, C₂H₅OH, безбарвна рідина з характерним запахом (температура кипіння – 78,3 ºС; теплота пароутворення r₂₀ = 1024,2 кДж/кг; масова ізобарна теплоємність за температури 20 ºС С_р = 2,4 кДж/(кг*К); коефіцієнт теплопровідності λ₂₀ = 0,179 Вт/(м*К), критична температура t_кр = 243,1 ºС; критичний тиск р_кр = 6,39 МПа. Інгі фізико-хімічні властивості етанолу наведені в табл.. 3.2.

Одержують біоетанол ферментативним бродінням органічної сировини. Для цього виробництва використовують культури з високим вмістом цукру: цукрову тростину, кукурудзу, картоплю, буряк, пшеницю.