ТОПЛИВНЫЙ БИОЭТАНОЛ: ПЛЮСЫ И МИНУСЫ
Хожаинов Сергей Петрович, ведущий инженер Институт проблем машиностроения им. А.Н. Подгорного НАН Украины, г. Харьков Необходимость поиска альтернативных топлив вызвана двумя глобаль- ными проблемами: дефицитом топлива нефтяного происхождения и загрязне- нием окружающей среды. Высокий уровень потребления нефтяного топлива привел к тому, что к настоящему времени исчерпано более половины разведанных запасов нефти. Украина – энергозависимая страна. Свои потребности в топливе ей приходится покрывать за счет импорта, поскольку внутренними ресурсами обеспечивается лишь 15% от необходимого объема нефти и нефтепродуктов и 25% газа. На ближайшие десятилетия тепловые поршневые двигатели останутся основными типами силовых установок автомобилей, что вынуждает произво- дителей активно заниматься поиском новых решений топливно-экологической проблемы. Одним из путей решения этой проблемы может быть использование в двигателях внутреннего сгорания альтернативного топлива из возобновляемых источников энергии. Таким топливом можетт быть так называемое биотопливо на основе растительных возобновляемых ресурсов. Одним из видов такого топлива является биоэтанол. Основным биотопливом для двигателей с искровым зажиганием можно считать этанол. Лидерами по производству этого вида альтернативного топлива являются США, где биоэтанол добывают преимущественно из кукурузы, а также Бразилия, где в качестве сырья используют сахарный тростник. В этих странах все большее распространение получает топливо под названием «газохол», что представляет собой смесь бензина и этилового спирта. Причем, в разных странах концентрация этанола в смесях с бензином колеблется от 26% (Бразилия) и 10% (США) до 5-6% (Франция и Польша). Вообще же добывать биоэтанол можно из различных сельхозкультур с высоким содержанием крахмала или сахара: картофеля, сахарной свеклы, ячменя, ржи, пшеницы. В Бразилии уже более 20 лет владельцы автозаправок обязаны добавлять в бензин не менее 20% этанола. Использование биоэтанола позволяет покрывать почти половину из существующего в стране спроса на нефтепродукты. Более 60% транспортных средств могут использовать спирт в качестве топлива. Сейчас 4,5 миллиона автомобилей в стране ездят на биоэтаноле, а еще 17 млн. – на смеси этанола с бензином. К 2020 году, согласно прогнозам, производство биоэтанола в мире превысит 280 миллиардов литров, а средний ежегодный рост рынка биоэтанола в 2008–2020 годах составит более 12%. Если говорить о себестоимости в абсолютных цифрах, то себестоимость этанола в Бразилии – 20–25 центов за литр, а себестоимость этанола, произведенного в США – 30–35 центов. Если рассматривать биоэтанол с позиции требований, предъявляемых к автомобильному топливу, то можно констатировать его пригодность для этого. В частности, этиловый спирт является легколетучей жидкостью, однороден, имеет постоянную температуру кипения, обладает высокой антидетонационной стойкостью и достаточно высокой теплотворной способностью. При этом, этиловый спирт экологически чист, обеспечивает полноту сгорания и при горении образует гораздо меньше токсичных продуктов, чем бензин. При использовании смеси 90% бензина и 10% этанола, известной под названием "газохол" или Е10, нет необходимости вносить какие-либо конструктивные изменения в двигатель. При возрастании содержания спирта в смеси и тем более при использовании чистого спирта (или спирта с небольшими добавками бензина) двигатель необходимо реконструировать. Топливо Е10 улучшает работу двигателя путем добавления 2–3 единиц к детонационной стойкости бензина, противодействует перегреву двигателя, препятствует замерзанию топливопроводов зимой и не вызывает загрязнения топливной форсунки. Вторым несомненным достоинством бензоспиртовых смесей служит улучшение процесса сгорания. Применение спиртов способствует существенному снижению образования отложений на деталях двигателя. Это связано с малым сажеобразованием при горении, а также отсутствием в топливе серы и, как следствие, малой кислотностью продуктов сгорания. При использовании в качестве топлива биоэтанола, получаемого из растительного сырья, не происходит накопление тепла и углекислого газа в атмосфере, ведущего к «парниковому эффекту» и изменению мирового климата. Углекислый газ при таком процессе является лишь возобновляемым компонентом в процессе накопления и отдачи солнечной энергии. В растениях углекислый газ и вода превращается в глюкозу. Данная реакция идет с поглощением солнечной энергии: 6CO2 + 6H2O . C6H12O6 + 6O2 – Q При ферментации глюкоза трансформируется в спирт: C6H12O6 . 2C2H5OH + 2CO2 + Q При этом выделяется две молекулы углекислого газа. При сгорании этанола выделяется тепло (Q) и еще 4 молекулы углекислого газа: 2C2H5OH + 6O2 . 4CO2 + 6H2O + Q Из выше приведенных реакций следует, что 6 молекул CO2 ушло из атмосферы на синтез глюкозы и 6 молекул CO2 выделилось при превращении глюкозы в этанол и при его горении. Сумма тепла и углекислого газа, поглощенных и выделившихся в этих реакциях, равна нулю. Таким образом, можно утверждать, что при использовании биоэтанола в качестве топлива в двигателях внутреннего сгорания не нарушается тепловой и химический баланс Земли. "Газохол", в отличие от бензина, не содержит тетраэтилсвинца, являющегося токсичным химическим соединением. Анализ выхлопных газов при добавлении биоэтанола к бензину показал, что содержание в них углеводородов на 4,5-5%, окислов азота - на 5-5,7%, окиси углерода – на 25- 26,3% ниже, чем при работе на бензине. И, что не менее важно, спирт для использования в качестве топлива можно получать из возобновляемого (растительного) сырья. Наряду с достоинствами, биотоплива на основе биоэтанола обладают и рядом недостатков. Во-первых, у этанола почти на 30% меньшая, чем у бензина, теплотворная способность, а, следовательно, и меньшая мощность, развиваемая двигателем. Однако, как показал опыт длительной эксплуатации автотранспорта, увеличения расхода топлива при переходе от бензина к "газохолу", содержащему 10% этанола, практически не наблюдается, что объясняется большей полнотой сгорания этанолсодержащего топлива. Во-вторых, наблюдается фазовая нестабильность при попадании влаги в спиртосодержащее топливо. В литературе предлагается несколько способов решения этой проблемы: введение поверхностно-активных веществ, роль которых в некоторых случаях могут выполнять сивушные масла, очистка от которых удорожает стоимость получения этанола. Третий недостаток обусловлен наличием полярной гидроксильной группы, которая делает спиртосодержащее топливо химически более активными, чем традиционное. Так, этанол даже при малом содержании воды приобретает высокую электропроводность, поэтому способствует коррозии металлов. Причем он особенно агрессивен по отношению к цинку, латуни, свинцу, алюминию, а также стали, покрытой сплавом свинца и олова. Решение этой проблемы – в применении ингибиторов. В качестве ингибиторов используют амины, аминоспирты, нитросоединения. Существенным недостатком спирта как топлива является то, что скрытая теплота испарения спирта в 8–9 раз больше, чем у бензина. Это вызывает трудности при запуске двигателя ниже –10.С. Этот недостаток можно устранить, добавляя высоколетучие добавки, например изопентан. Перспективы широкого использования топливного биоэтанола в Украине могут быть только в том случае, когда, во-первых, можно заинтересовать производителей бензина введением льготного налогообложения для бензина, содержащего до 6% этилового спирта. Во-вторых, когда будут утверждены государственные стандарты на применение топлива из возобновляемого сырья. Поэтому вопрос замены нефти на биотопливо, как показал опыт стран ЕС, Бразилии, США и др., является вполне политическим вопросом, решение которого зависит от государственной политики и объема преференций для данного сектора экономики. Першоджерело - Збірник тез доповідей Міжнародної науково-практичної конференції - (PDF, 2,54 Мб) | |
|
| |
| Переглядів: 2892 | | |
| Всього коментарів: 0 | |