Альтернативные топлива для автомобилей

Альтернативные топлива для автомобилей

Альтернативные топлива для автомобилей

. Газообразные топлива

Пропан-бутан(сжиженный нефтяной газ, СНГ, по-английски- liquified petroleum gas LPG) - это смесь двух газов. Пропан-бутан получают из нефти и сконденсированных нефтяных попутных газов.

Бута́нC₄H₁₀- предельный углеводород <#"582309.files/image001.gif">

Рисунок 1- Зависимость давления паров газа от температуры

Одним из наиболее важных свойств пропана и бутана, отличающих их от других видов автомобильного топлива, является образование при свободной поверхности над жидкой фазой двухфазной системы жидкость - пар, вследствие возникновения давления насыщенного пара, т.е. давления пара в присутствии жидкой фазы в баллоне <#"582309.files/image002.gif">

Недостатки сжиженного и сжатого газа по сравнению с бензином:

1) хуже наполнение цилиндров двигателя и как результат уменьшается его мощность на 15- 20%;

) выше температура пламени (бензин- 750^оС, сжиженный газ- 990^оС; сжатый газ- 1325^оС) и как результат выше содержание окислов азота в отработавших газах и больше износ выпускных клапанов;

) выше температура воспламенения (бензин: 230- 480^оС, метан: 537- 600^оС; пропан: 450- 465^оС; бутан: 475- 585^оС) и как следствие хуже пусковые качества при низких температурах(сжиженный газ: минус 5-7^оС, сжатый газ: +3 минус 1^оС);

) более пожароопасен;

) при использовании сжатого газа уменьшается грузоподъемность автомобиля (масса одного стального баллона 93 кг, пластмассового- 56 кг) и пробег на одной заправке ( объем одного баллона- 10 м³, что эквивалентно 10 л бензина);

) автомобильные компрессорные газонаполнительные станции сложнее АЗС жидким топливом и должны размещаться за пределами городской черты

Сжиженный природный газ (СПГ). Метан сжижается при температуре минус 162^оС и эта температура должна поддерживаться на борту автомобиля, что усложняет использование СПГ в настоящее время.

Генераторный или синтез-газ получают непосредственно на борту автомобиля из угля, дров и т.д. в специальном газогенераторе.

Полученный генераторный газ (СО + Н₂)охлаждается, очищается и подается в цилиндры двигателя. Мощность двигателя при использовании синтез-газа уменьшается на 20-30%. Наиболее широко данный вид топлива использовали во время второй мировой войны, однако сейчас интерес к нему вновь возрождается.

Водород является самым распространенным газом на земле, однако отсутствует в свободном состоянии. Более 50% водорода в настоящее время получают конверсией из природного газа при высоком давлении, в присутствии катализаторов и при температуре800-1000^оС:

СН₄ + Н₂О → СО↑ + 3 Н₂↑_.Водород также является побочным продуктом процессов коксования твердых видов топлива и компонентом биогаза (см. ниже). Самое большое количество водорода содержится в воде: один км³ мирового океана содержит 1,13∙10⁸ тонн водорода. Из воды водород можно получить в результате гидролиза:

Н₂О + энергия→ О₂↑ +Н₂↑, однако необходимо иметь в виду, что водород представляет собой энергоноситель, не являясь энергоресурсом, т.е. для его получения необходимо затратить энергию. В силу этого водород не расширяет базу первичных энергоресурсов. Более того, энергетические затраты на его получение в настоящее время превышают энерговыделение при его сжигании. Теплотворная способность водорода в три раза выше жидких топлив, однако для сгорания 1 кг водорода необходимо в три раза больше кислорода и в результате теплотворная способность смеси водород-воздух ниже. Температура воспламенения водорода 590^оС, выше чем у бензина. Смеси водород-воздух характеризуются широким диапазоном воспламенения (4- 75% по объему) и взрывоопасности (18- 74% по объему), что ухудшает противопожарные свойства и повышает взрывоопасность топлива. Водород является самым экологичным видом топлива при его сгорании образуется дистиллированная вода, однако воздух содержит азот, поэтому выхлопные газы содержат NO_X.

Хранение водорода на борту автомобиля может быть осуществлено несколькими способами.

Хранение сжатого газообразного водорода в газовых баллонах и стационарных системах хранения. На сегодняшний момент, баллоны, устанавливающиеся на автомобиль, выдерживают давление в 35 МПа и обеспечивают пробег авто до 200 км. Для увеличения пробега до 500км необходимо повысить давление в баллонах до 70МПа, что достаточно проблематично. Помимо этого, для обеспечения требований безопасности, баллоны должны выдерживать ударное воздействие как минимум в два раза превышающее давление газа. Данный метод хранения наиболее дешев, но небезопасен, а баки для хранения громоздки и имеют большой вес: для хранения одного килограмма водорода необходим баллон массой 35кг.

Хранение жидкого водорода в криогенных контейнерах. В таких системах хранения водород находится в жидком состоянии, находясь в интервале температур между точкой замерзания минус 256^оСи точкой сжижения - минус 253^оС. Серьезной проблемой является также испарение водорода. За сутки, как правило, испаряется около 3% вещества вследствие просачивания водорода сквозь стенки контейнеров. Технология обеспечивает в отличие от предыдущего метода большую безопасность, но более сложна в производстве и имеет более высокую стоимость, тем не менее ведущие автомобильные фирмы выпускают такие автомобили, например BMV Hidrogen7. Низкотемпературный бакHidrogen7 вмещает 8 кг или примерно 170 л водорода. При полной заправке запас хода на водороде составляет 200 км. Процесс заправки осуществляется через узел2 и составляет 8 мин.

Хранение водорода на борту транспортного средства в химически связанном состоянии в виде гидридов. Практически все металлы и сплавы в каком-то приближении представляют собой плотную упаковку шаров; пользуясь школьными знаниями по геометрии несложно понять, что между шарами существуют пустоты, и именно в эти пустоты может входить водород, а затем при снятии внешнего давления и нагревании извлекаться из сплавов. Следовательно, необходимо «вдавить» водород в эти самые полости при повышенном давлении, например для сплава FeTi - 1 мПа, затем высвободить газ при умеренном нагревании или низком давлении. Расход энергии при этом в 10 раз ниже, чем при сжижении водорода. Недостатком такого способа является большая масса водородного аккумулятора (емкости, экостата), (например контейнер с LaNi, содержащий 0,5 кг водорода имеет массу 40-45 кг), а также долгий процесс их зарядки и относительно большие затраты энергии на нагрев, хотя подобная технология хранения на данный момент является наиболее перспективной. На рис 3 и 5 представлена одна из конструкций автомобиля с металлогидридной системой хранения водорода в баллоне 7 (рис 3) экостата. Нагрев термостата с водородом осуществляется в термостате 1(рис 5) жидкостью из системы охлаждения двигателя.

На стадии изучения и разработки находятся металлоорганические структуры MOFs и ковалент-органические каркасы СOFs. MOF-структуры представляют собой кристаллические губки с наноразмерными порами. Их можно сделать настолько пористыми, что один грамм MOF будет иметь общую поверхность, равную площади футбольного поля. Структурами MOF можно легко управлять, асами они могут производиться из относительно дешевых компонентов - например, оксида цинка (применяется в солнцезащитных кремах) и терефталата (применяется при производстве пластиковых бутылок).

СOFs - это органические пористые кристаллы с сильными ковалентными связями между атомами углерода, кислорода и бора и др., с высокой термостабильностью, большой удельной площадью поверхности и чрезвычайно малой плотностью. Уже первый образец нового материала - COF-108 - обладает рекордно низкой для кристаллических материалов плотностью и площадью поверхности 4500 квадратных метров на 1 г.

Еще более важно то, что группа под руководством профессора Омара Яги (OmarYaghi) научилась синтезировать подобные материалы с заданными свойствами и размерами пор в кристаллах. Это поможет создать материалы, оптимизированные для хранения водорода, метана, углекислого газа или других газообразных соединений.

Биогаз является продуктом ферментации (разложения) без доступа воздуха органических веществ. Разложение биомассы происходит под воздействием трёх видов бактерий <#"582309.files/image005.gif">

Проточная установка с горизонтальной стальной емкостью

. Подвод навозной жижи

. Навозная жижа

. Миксер

. Насос

. Подвод свежей навозной жижи

. Теплообменник

. Трубочная мешалка

. Забор газа

. Подвод горячей воды

. Отвод горячей воды

. Отток перебродившего навоза

Газовые конденсаты - (природный газолин) - смесь жидких углеводородов, которые конденсируются при выходе природного газа на поверхность. Запасы ГК в мире весьма велики, по некоторым оценкам они составляют около 14 миллиардов тонн. По ряду характеристик ГК выгодно отличаются от нефти. Для них характерно относительно высокое содержание светлых фракций, практически полное отсутствие смолистых веществ и асфальтенов, относительно низкое содержание серы). Использование ГК для производства бензина и дизельного топлива представляется поэтому весьма выгодным.

В Молдову поставляются дизельные топлива на основе газовых конденсатов ГШЛ - летнее и ГШЗ - зимнее.

2. Спирты

Этано́л (эти́ловый спирт, метилкарбинол, винный спирт, часто в просторечии просто «спирт» или алкого́ль) - C₂H₅OHилиCH₃-CH₂-OH, второй представитель гомологического ряда <#"582309.files/image007.gif">