Производство альтернативных видов топлива

Рис.4 Виды биотоплива.⁶

1.5 Спирты

Использование спиртов в  качестве топлива для автомобильных  двигателей - давно не новость. Разработчики первых двигателей внутреннего сгорания уделяли спиртовым моторам не меньше внимания, чем бензиновым. Спирты имеют высокие октановые числа - более 100 единиц, но меньшую по сравнению  с нефтяными топливами теплоту  сгорания (при сгорании топлива выделяется меньше энергии, мощность падает, а  расход топлива увеличивается). Начало крупномасштабной добычи нефти сделало применение спирта в качестве моторного топлива невыгодным. Спиртовые топлива стали широко используемым продуктом: например, на метиловом спирте работают двигатели мотоциклов для спидвея и многих спортивных машин. Спиртовое автомобильное горючее пользуется определённой популярностью в Бразилии, где нет больших запасов нефти, но зато есть идеальные условия для выращивания сахарного тростника и производства из него дешевого спирта. Помимо этанола и метанола, в качестве моторных топлив предлагается использовать и другие спирты. Компании BP и DuPont делают ставку на бутанол.

Метанол (Methanol - С)— спиртовое топливо, получаемое в процессе переработки нефти или каменного угля. При использовании метанола в качестве топлива для ДВС обеспечивается снижение уровня двуокиси углерода в отработавших газах на 5% по сравнению с бензином. Однако для получения той же мощности требуется вдвое большее количество топлива, чем при использовании бензина.

Этанол (Ethanol - )— спиртовое топливо, получаемое из растений, таких как кукуруза, сахарный тростник и др., имеет примерно такие же свойства, как метанол и производит при сгорании меньшее количество оксидов азота и снижение содержания двуокиси углерода на 4% по сравнению с бензином. Отработавшие газы ДВС, работающего на этаноле, содержат вредные альдегиды (HCHO, CH3CHO, CH3CH2CHO) которые обладают неприятным запахом, вызывают раздражение слизистых оболочек организма человека и не могут быть устранены с помощью каталитических нейтрализаторов.

Рис.5 Виды топлива из спиртов⁷

ГЛАВА 2. ПЕРСПЕКТИВЫ  РАЗВИТИЯ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ВИДОВ ТОПЛИВА

2.1 Производство  альтернативных видов топлива

Природный газ, охлажденный  после очистки от примесей до температуры  конденсации (-161,5 °С), превращается в  жидкость, называемую сжиженным природным газом (СПГ). Объем газа при сжижении уменьшается в 600 раз, что является одним из основных преимуществ этой технологии. СПГ получают из природного газа путём сжатия с последующим охлаждением. Процесс сжижения идет ступенями, на каждой из которых газ сжимается в 5—12 раз, затем охлаждается и передается на следующую ступень. Собственно сжижение происходит при охлаждении после последней стадии сжатия. Процесс сжижения таким образом требует значительного расхода энергии — до 25 % от её количества, содержащегося в сжиженном газе.

В процессе сжижения используются различные виды установок — дроссельные, турбодетандерные, турбинно-вихревые и пр⁸.

СПГ производится на так  называемых ожижительных установках (заводах), после чего может быть перевезен в специальных криогенных емкостях — морских танкерах или цистернах для сухопутного транспорта. Это позволяет доставлять газ в те районы, которые находятся далеко от магистральных газопроводов, традиционно используемых для транспортировки обычного природного газа.

Производство синтетического жидкого топлива из природного газа очень выгодно экономически, поскольку  газ трудно транспортировать: на его  перевозку обычно затрачивается  от 30 до 50% стоимости готового продукта. Превращение газа прямо на месторождении  в жидкие компоненты значительно  снизит объем капиталовложений, затрачиваемых  на его переработку.

Рис.6 Страны-лидеры по экспорту природного газа в 2009 г⁹

 На сегодняшний день  основными экспортерами СПГ являются  Катар, Индонезия, Малайзия, Австралия (Рис. 6).

Рис.7 Страны лидеры по импорту  природного газа в 2009 г.¹⁰

С другой стороны, такие страны как - Япония, Южная Корея, Испания,США,Франция, Великобритания (Рис. 7) являются крупнейшими потребителями поставляемого на мировой рынок СПГ.

Компримированный природный газ (КПГ) — сжатый природный газ, используемый в качестве моторного топлива вместо бензина, дизельного топлива и пропана. Он дешевле традиционного топлива, а вызываемый продуктами его сгорания парниковый эффект меньше по сравнению с обычными видами топлива, поэтому он безопаснее для окружающей среды. Компримированный природный газ производят путем сжатия (компримирования) природного газа в компрессорных установках. Хранение и транспортировка компримированного природного газа происходит в специальных накопителях газа под давлением 200—220 бар. Также используется добавление к компримированному природному газу биогаза, что позволяет снизить выбросы углерода в атмосферу.

В распоряжении современных технологов имеются сотни технических методов получения водородного топлива, углеводородных газов, жидких углеводородов, воды. Выбор того или иного метода диктуется экономическими соображениями, наличием соответствующих сырьевых и энергетических ресурсов. В разных странах могут быть различные ситуации. Например, в странах, где имеется дешёвая избыточная электроэнергия, вырабатываемая на гидроэлектростанциях, можно получать водород электролизом воды (Норвегия); где много твёрдого топлива и дороги углеводороды, можно получать водород газификацией твёрдого топлива (Китай); где дешёвая нефть, можно получать водород из жидких углеводородов (Ближний Восток). Однако больше всего водорода получают в настоящее время из углеводородных газов конверсией метана и его гомологов (США, Россия).

Однако этот метод получения  водорода потребляет много энергии  и к тому же приводит к образованию  углекислого газа в довольно большом  количестве. В наше время его вклад  в увеличение концентрации парниковых газов в атмосфере относительно невелик, но при использовании парового риформинга для обеспечения потребностей водородной экономики он возрастет в десятки, если не в сотни раз. Для перевода на водородное топливо одного только автотранспорта в США потребовалось бы ежегодно около 150 млн. тонн водорода. Это в 15 раз больше объемов производства водорода в США.

Подобная стратегия ни в коей мере не помогла бы человечеству замедлить темпы всемирного потепления. Стоимость каждой калории тепловой энергии, извлеченной из полученного  таким способом водорода, сегодня  в 3-4 раза превышает стоимость калории, полученной при сгорании бензина - и  это при том, что риформинг является самой дешевой технологией производства этого газа. К тому же природный метан сам по себе является наиболее экологичным органическим топливом, поэтому его использование для получения больших объемов водорода было бы нерациональным.

Водород можно также производить  из угля, который предварительно должен подвергнуться газификации. Этот процесс  предотвращает проникновение в  атмосферу содержащейся в угле серы и прочих токсичных примесей, которые  можно предварительно отфильтровывать. Однако все эти операции очень  энергоемки и тоже дают двуокись углерода в качестве побочного продукта. Кроме  того, угольные залежи не безграничны. Расчеты показывают, что водородная экономика на угольном обеспечении могла бы привести к истощению всех угольных месторождений США всего лишь за 75 лет. Использование растительной биомассы в качестве исходного сырья опять-таки увеличит темпы накопления в атмосфере углекислого газа и к тому же резко увеличит нагрузки на почвы планеты, которые могут привезти к их деградации.

Наиболее оптимальным  сырьем для производства водородного  топлива могла бы служить вода. В последние годы в ряде стран  разработаны экспериментальные  технологии каталитического расщепления  водяного пара в высокотемпературных  химических реакторах. В общей сложности  сейчас известно свыше ста каталитических циклов этого рода. Однако все эти  процессы требуют нагрева реагентов  до температур порядка 800-1000 градусов и потому при массовом применении вызывают больше проблем, чем решают.

Известен также способ расщепления воды, как ее диссоциация  с помощью электричества - электролиз.

В экологическом отношении  такой способ производства водорода идеален, но только при условии, что  удастся найти такие способы  получения электроэнергии, которые  не приводили бы к выбросам парниковых газов и прочим видам загрязнения  окружающей среды и не требовали  захоронения высокоактивных радионуклидов, образующихся при работе атомных  реакторов.

Некоторые специалисты возлагают  самые серьезные надежды на микробиологию и геномику. На нашей планете существуют одноклеточные организмы, поглощающие углекислый газ, воду и солнечный свет и выделяющие кислород и водород. Эти процессы происходят при участии различных ферментов, которые сейчас интенсивно изучаются. В 2007 году Университет Пенсильвании анонсировал технологию по производству водородного топлива из пищевых отходов. Не исключено, что со временем усовершенствованные аналоги можно будет применить и в промышленных масштабах. Подобные системы могли бы не только производить кислород и водород, но и утилизировать углекислый газ, что было бы дополнительным выигрышем. Однако эти исследования начались сравнительно недавно, и их практическая ценность пока остается под вопросом. 

Технологий производства биотоплива несколько. Одна из них - это переработка сельскохозяйственных отходов в топливо. Сырьем, для этого процесса, могут служить и куски древесины, и солома, и навоз... Производство именно такого топлива, получившее название SunDiesel, начала немецкая химическая компания Choren Industriers при поддержке концернов Daimler Chrysler и Volkswagen. После сушки отходы нагреваются до 400-500°С, выделившийся газ проходит ряд превращений в присутствии катализатора - и на выходе из реактора получается дизельное топливо без содержания серы и других вредных примесей. Кроме того, биодизельное топливо «-нейтрально» по отношению к окружающей среде - при его сгорании в атмосферу возвращается та углекислота, что была поглощена растениями при росте. Чистота такой биосолярки тоже играет положительную роль - испытания показали, что она позволяет выполнять нормы токсичности Евро 4 даже тем двигателям, которые рассчитаны только на Евро 3. Конечно, пока литр «солнечной» солярки дороже обычной.

Нынешние возможности сельского хозяйства Европы способны обеспечить таким топливом от половины до 80% всех легковых дизелей.

Еще один способ получения биологического дизельного топлива - растительное сырье. Тем более идея получать его из растительного сырья была озвучена еще Рудольфом Дизелем. В 1900 году он даже продемонстрировал двигатель, работавший на горючем из арахисового масла.  
    Основой для биодизельного топлива служат различные компоненты, чаще всего соя, рапс, хлопок, а в последнее время ятрофа – это южноамериканское растение еще называют бутылочным деревом. Технология в общих чертах такова: семена растений проходят через маслобойку, в которой масло отделяется от шрота – отходов маслоэкстракционного производства. Затем масло смешивают с метанолом (С), применяя в качестве катализатора метоксид натрия (NaOMe). Полученную смесь очищают – горючее готово.

Рис.8 Технология производства биодизеля¹¹

В процессе производства «биодизеля» из сырья выжимают масло, очищают от вкраплений; полуфабрикат нагревают, охлаждают и дистиллируют: 1 – низкотемпературный газовый генератор; 2 – высокотемпературный реактор; 3 – пылевой фильтр; 4 – теплообменник; 5 – подача воды; 6 – сепаратор; 7 – многотрубочный реактор; 8 – газовый компрессор; 9 – конденсор; 10 – система охлаждения; 11 – нагреватель; 12 – дистилляционная емкость; 13 – газовый электрогенератор; 14 – резервуар с готовым топливом (Рис.8).

В сегодня наиболее предпочтительным сырьем для производства биодизеля является рапс, которое как сорняк растет где угодно, единственный нюанс - его надо вовремя собрать. Урожайность рапса достигает 20-25 центнеров с гектара. Но пока его только добавляют в дизельное топливо, поскольку рапсовое масло в чистом виде как топливо не используется. Из-за более высокой вязкости (почти в 20 раз выше по сравнению с дизельным горючим) требуется другая топливная аппаратура и изменение камеры сгорания. Масло смешивают с метанолом и получают метиловый эфир, иначе называемый «маслометанольная смесь». Из тонны получается 350 килограммов такой смеси. Для получения биодизеля в солярку добавляют 30% маслометанольной смеси. Вместо ядовитого метилового спирта (С), рапсовое масло можно смешивать с этиловым (пищевым) спиртом ().В ходе переработки масла в биодизель получают ряд дополнительных продуктов, пользующихся спросом (например, глицерин (C₃H₅(OH)₃), сульфат калия (K₂SO₄)).

Плюсы использования биотоплива:

• Экономический аспект. Страны, где нефти нет либо крайне мало, готовы платить зеленым сырьем (а не долларом) за энергетическую независимость.
• «Биодизель» практически не содержит серы и канцерогенного бензола. Разложение этого топлива происходит в естественных условиях без вреда для природы, а в процессе сгорания в двигателе выбросы в атмосферу СО2 на 50–80% ниже, чем при работе на традиционном минеральном дизтопливе;
• Растительное топливо отличает хорошая воспламеняемость, поскольку его цетановое число достигает 58, тогда как этот показатель для традиционной солярки не превышает 52. Иными словами, зажечь биодизельное топливо легче, но, увы, сгорает оно с меньшей теплоотдачей (см. таблицу);
• Запасы сырья могут возобновляться ежегодно, культура не требует особого ухода в процессе выращивания;
• В ходе переработки масла получают дополнительные продукты (глицерин, сульфат натрия);