Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено с Bioalcohol )
Перейти к навигации Перейти к поиску
Блюдо этанола в огне

В качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания используются различные спирты . Первые четыре алифатических спирта ( метанол , этанол , пропанол и бутанол ) представляют интерес в качестве топлива, поскольку их можно синтезировать химическим или биологическим путем, и они обладают характеристиками, которые позволяют использовать их в двигателях внутреннего сгорания. Общая химическая формула спиртового топлива: C n H 2n + 1 OH .

Большая часть метанола производится из природного газа, хотя его можно производить из биомассы с помощью очень похожих химических процессов. Этанол обычно получают из биологического материала в процессе ферментации . Преимущество биобутанола в двигателях внутреннего сгорания состоит в том, что его удельная энергия ближе к бензину, чем к более простым спиртам (при этом его октановое число выше на 25%); однако биобутанол в настоящее время производить труднее, чем этанол или метанол. Полученные из биологических материалов и / или биологических процессов, они известны как биоспирты (например, «биоэтанол»). Нет химического разница между биологически и химически производимыми спиртами.

Одним из преимуществ четырех основных видов спиртового топлива является их высокое октановое число . Это имеет тенденцию к повышению их топливной эффективности и в значительной степени компенсирует более низкую удельную энергию автомобильного спиртового топлива (по сравнению с бензином / бензином и дизельным топливом), что приводит к сопоставимой «экономии топлива» с точки зрения метрики расстояния на единицу объема, например, километров на литр или мили на галлон.

Метанол и этанол [ править ]

Этанол используется в качестве топлива.

И метанол, и этанол могут быть получены из ископаемого топлива, биомассы или, что проще, из диоксида углерода и воды. Этанол чаще всего производился путем ферментации сахаров, а метанол чаще всего производился из синтез-газа, но существуют более современные способы получения этого топлива. Вместо ферментации можно использовать ферменты. Метанол - более простая молекула, а этанол можно получить из метанола. Метанол может производиться промышленным способом практически из любой биомассы, включая отходы животноводства, или из диоксида углерода и воды или пара, сначала преобразовывая биомассу в синтез-газ в газогенераторе . Его также можно производить в лаборатории с помощью электролиза или ферментов. [1]

Как топливо, метанол и этанол имеют преимущества и недостатки по сравнению с такими видами топлива, как бензин (бензин) и дизельное топливо . В двигателях с искровым зажиганием оба спирта могут работать с гораздо более высокой скоростью рециркуляции выхлопных газов и с более высокими степенями сжатия . Оба спирта имеют высокое октановое число : этанол с октановым числом 109 ( октановое число по исследовательскому методу ), 90 MON ( моторное октановое число ) (что соответствует 99,5 AKI ) и метанол с RON 109, 89 MON (что соответствует 99 AKI). [2] Обратите внимание, что AKI относится к « антидетонационному индексу.'со средним показателем RON и MON (RON + MON) / 2 и используется на насосах для заправочных станций в США. Обычный европейский бензин обычно имеет 95 RON, 85 MON, что равно 90 AKI. В качестве топлива для двигателей с воспламенением от сжатия оба спирта образуют очень мало твердых частиц, но их низкое цетановое число означает, что улучшитель воспламенения, такой как гликоль, должен быть добавлен в топливо с прибл. 5%.

При использовании в двигателях с искровым зажиганием спирты могут снижать выбросы NOx , CO , HC и твердых частиц. Испытание Chevrolet Luminas, работающего на E85, показало, что содержание NMHC [3] снизилось на 20-22%, NOx - на 25-32% и CO - на 12-24% по сравнению с реформулированным бензином. [4] Токсичные выбросы бензола и 1,3-бутадиена также снизились, в то время как выбросы альдегидов увеличились ( в частности, ацетальдегида ).

Выбросы CO 2 из выхлопной трубы также снижаются из-за более низкого отношения углерода к водороду в этих спиртах и ​​повышения эффективности двигателя.

Топливо на основе метанола и этанола содержит растворимые и нерастворимые загрязнители. [5] Галогенид- ионы, которые являются растворимыми загрязнителями, такими как ионы хлорида, оказывают большое влияние на коррозионную активность спиртового топлива. Галогенид-ионы усиливают коррозию двумя способами: они химически воздействуют на пассивирующие оксидные пленки на некоторых металлах, вызывая точечную коррозию, и повышают проводимость топлива. Повышенная электропроводность вызывает электрическую, гальваническую и обычную коррозию топливной системы. Растворимые загрязнители, такие как гидроксид алюминия, который сам по себе является продуктом коррозии галогенид-ионами, со временем забивают топливную систему.

Для предотвращения коррозии топливная система должна быть изготовлена ​​из подходящих материалов, электрические провода должны быть должным образом изолированы, а датчик уровня топлива должен быть импульсным и удерживающим, магниторезистивным или другим подобным бесконтактным типом. Кроме того, высококачественный спирт должен иметь низкую концентрацию загрязняющих веществ и содержать подходящий ингибитор коррозии. Научные данные показывают, что вода также является ингибитором коррозии под действием этанола. [6]

Эксперименты проводились с E50, который более агрессивен и ускоряет эффект коррозии. Совершенно очевидно, что увеличивая количество воды в топливном этаноле, можно уменьшить коррозию. При содержании в топливном этаноле 2% или 20 000 ppm воды коррозия прекратилась. Наблюдения в Японии согласуются с тем фактом, что водный этанол, как известно, менее агрессивен, чем безводный этанол. Механизм реакции составляет 3 этанола + Al -> Al (OEt) 3 + 3 / 2 Н 2 будет таким же при более низких-средних смесей. Когда в топливе присутствует достаточно воды, алюминий будет предпочтительно реагировать с водой с образованием Al 2 O 3., ремонт защитного слоя оксида алюминия. Алкоксид алюминия не образует плотного оксидного слоя; вода необходима для ремонта дыр в оксидном слое.

Метанол и этанол также несовместимы с некоторыми полимерами. Спирт вступает в реакцию с полимерами, вызывая набухание, и со временем кислород разрушает углерод-углеродные связи в полимере, вызывая снижение прочности на разрыв. Однако за последние несколько десятилетий большинство автомобилей было спроектировано таким образом, чтобы без проблем переносить до 10% этанола (E10). Это включает как совместимость топливной системы, так и лямбда-компенсацию [ необходимо пояснение ] подачи топлива с двигателями с впрыском топлива, имеющими лямбда-регулирование с обратной связью. В некоторых двигателях этанол может разрушать некоторые составы пластмассовых или резиновых компонентов подачи топлива, предназначенных для обычного бензина, а также не может должным образом компенсировать лямбда-баланс топлива. [ необходима цитата ]

Автомобили «Flexfuel» модернизировал топливной системы и двигателя компоненты , которые предназначены для длительного срока службы с использованием E85 или M85, и ECU может адаптироваться к любой топливной смеси между бензином и E85 или M85. Типичные обновления включают модификации: топливных баков, электропроводки топливного бака, топливных насосов, топливных фильтров, топливопроводов, заливных трубок, датчиков уровня топлива, топливных форсунок, уплотнений, топливных направляющих, регуляторов давления топлива, седел клапанов и впускных клапанов. Автомобили Total Flex, предназначенные для бразильского рынка, могут использовать E100 (100% этанол). [ необходима цитата ]

Один литр этанола содержит 21,1 МДж, литр метанола 15,8 МДж и литр бензина приблизительно 32,6 МДж. Другими словами, для того же количества энергии, что и один литр или один галлон бензина, требуется 1,6 литра / галлон этанола и 2,1 литра / галлон метанола. Однако необработанные данные об объемном расходе энергии дают неверные данные о расходе топлива, поскольку двигатели, работающие на спирте, можно сделать значительно более энергоэффективными. Больший процент энергии, доступной в литре спиртового топлива, можно преобразовать в полезную работу. Эта разница в эффективности может частично или полностью сбалансировать разницу в плотности энергии, [ править ] в зависимости от конкретных двигателей сравниваемых.

Метанол был предложен в качестве биотоплива будущего, часто как альтернатива водородной экономии . Метанол имеет долгую историю как топливо для гонок. Ранние гонки Гран-при использовали смешанные смеси, а также чистый метанол. Использование топлива в основном использовалось в Северной Америке после войны. [ требуется пояснение ] Однако метанол для гоночных целей в значительной степени основан на метаноле, полученном из синтез-газа, полученного из природного газа, и поэтому этот метанол не может считаться биотопливом. Метанол является возможным биотопливом, однако, когда синтез-газ получают из биомассы .

Теоретически метанол можно также производить из биомассы из экологически чистых источников для получения двуокиси углерода и электролиза водорода с использованием ядерной энергии, геотермальной энергии или какого-либо другого возобновляемого источника энергии (см. Carbon Recycling International ). По сравнению с биоэтанолом, основным преимуществом биотоплива на основе метанола является его гораздо более высокая эффективность. Это особенно актуально в умеренном климате, где удобрения необходимы для выращивания сахарных или крахмальных культур для производства этанола, тогда как метанол можно производить из лигноцеллюлозной (древесной) биомассы.

Этанол уже широко используется в качестве присадки к топливу , и использование этанольного топлива отдельно или в составе смеси с бензином увеличивается. По сравнению с метанолом его основное преимущество состоит в том, что он менее агрессивен, и, кроме того, топливо нетоксично, хотя топливо будет производить некоторые токсичные выхлопные выбросы. С 2007 года гоночная лига Indy Racing использовала этанол в качестве эксклюзивного топлива после 40 лет использования метанола. [7] С сентября 2007 года заправочные станции в Новом Южном Уэльсе, Австралия, обязаны поставлять весь свой бензин с содержанием этанола 2% [8]

Бутанол и пропанол [ править ]

Пропанол и бутанол значительно менее токсичны и менее летучие, чем метанол. В частности, бутанол имеет высокую температуру вспышки 35 ° C, что является преимуществом для пожарной безопасности, но может затруднять запуск двигателей в холодную погоду. Однако концепция температуры вспышки не применима напрямую к двигателям, поскольку сжатие воздуха в цилиндре означает, что температура перед воспламенением составляет несколько сотен градусов Цельсия.

Процессы ферментации для производства пропанола и бутанола из целлюлозы довольно сложны для выполнения, и организм Вейцмана ( Clostridium acetobutylicum ), который в настоящее время используется для этих преобразований, производит чрезвычайно неприятный запах, и это необходимо учитывать при проектировании и размещении ферментационного завода. . Этот организм также умирает, когда содержание бутанола в том, что он ферментирует, повышается до 7%. Для сравнения: дрожжи умирают, когда содержание этанола в исходном сырье достигает 14%. Специализированные штаммы могут переносить даже более высокие концентрации этанола - так называемые турбодрожжи могут выдерживать до 16% этанола. [9]Однако, если обычные дрожжи Saccharomyces можно будет модифицировать для улучшения их устойчивости к этанолу, ученые все же могут однажды создать штамм организма Вейцмана с устойчивостью к бутанолу выше естественной границы 7%. Это было бы полезно, потому что бутанол имеет более высокую плотность энергии, чем этанол, и потому что отходы волокна, оставшиеся от сахарных культур, используемых для производства этанола, могут быть превращены в бутанол, повышая выход спирта топливных культур без необходимости выращивания большего количества культур. посадили.

Несмотря на эти недостатки, DuPont и BP недавно объявили о совместном строительстве небольшого демонстрационного завода по производству бутанола [10] наряду с крупным заводом по производству биоэтанола, который они разрабатывают совместно с Associated British Foods .

Компания Energy Environment International разработала метод производства бутанола из биомассы, который включает последовательное использование двух отдельных микроорганизмов для минимизации образования побочных продуктов ацетона и этанола. [11]

Швейцарская компания Butalco GmbH использует специальную технологию для модификации дрожжей с целью производства бутанола вместо этанола. Дрожжи как организмы, продуцирующие бутанол, имеют решающие преимущества по сравнению с бактериями. [12]

Сгорание бутанола: C 4 H 9 OH + 6O 2 → 4CO 2 + 5H 2 O + тепло

Сгорание пропанола: 2C 3 H 7 OH + 9O 2 → 6 CO 2 + 8H 2 O + тепло

Трехуглеродный спирт, пропанол (C 3 H 7 OH), не часто используется в качестве прямого источника топлива для бензиновых двигателей (в отличие от этанола, метанола и бутанола), причем большинство из них используется в качестве растворителя. Однако он используется в качестве источника водорода в некоторых типах топливных элементов; он может генерировать более высокое напряжение, чем метанол, который является предпочтительным топливом для большинства топливных элементов на спиртовой основе. Однако, поскольку пропанол труднее производить, чем метанол (биологически или из нефти), топливные элементы, использующие метанол, предпочтительнее тех, которые используют пропанол.

По стране [ править ]

Бразилия [ править ]

Историческая тенденция бразильского производства легковых автомобилей с разбивкой по типу топлива, чистому этанолу (спирту), гибкому топливу и бензиновым автомобилям с 1979 по 2017 год [13].

До недавнего времени Бразилия была крупнейшим производителем спиртового топлива в мире, обычно ферментируя этанол из сахарного тростника .

Страна производит в общей сложности 18 миллиардов литров (4,8 миллиарда галлонов) в год, из которых 3,5 миллиарда литров экспортируются, 2 миллиарда из них - в США . [14] Автомобили с алкогольными напитками дебютировали на бразильском рынке в 1979 году и стали довольно популярными из-за значительных субсидий, но в 1980-х цены выросли, и бензин вернул себе лидирующую долю рынка. [15]

Тем не менее, с 2003 года, алкоголь быстро растет свою долю рынка в очередной раз из - за новых технологий с использованием гибких топливных двигателей , [16] под названием «Flex» или «Total Flex» всеми основными производителями автомобилей ( Volkswagen , General Motors , Fiat , так далее.). Двигатели «Flex» работают на бензине, спирте или любой смеси обоих видов топлива. По состоянию на май 2009 года более 88% новых автомобилей, проданных в Бразилии, работают на гибком топливе. [17]

Благодаря ведущему производству и технологиям Бразилии многие страны очень заинтересовались импортом спиртового топлива и принятием концепции автомобилей Flex. [16] 7 марта 2007 года президент США Джордж Буш посетил город Сан-Паулу, чтобы подписать соглашение с президентом Бразилии Луисом Инасио Лула да Силва об импорте алкоголя и его технологий в качестве альтернативного топлива. [18]

Китай [ править ]

Еще в 1935 году Китай производил автомобили, работающие на спиртовом топливе. [19] Китай сообщил, что использование метанола на 70% по сравнению с обычным бензином обеспечивает независимость от сырой нефти .

Национальный комитет по планированию и координации действий в области экологически чистых автомобилей включил в свою основную повестку дня ключевые технологии, связанные со спиртовым / эфирным топливом и ускоренной индустриализацией. Спиртовое топливо стало частью пяти основных альтернативных видов топлива: два из которых были спиртами; метанол и этанол [20]

Соединенные Штаты [ править ]

Увидеть E85 в Соединенных Штатах

Соединенные Штаты в конце 2007 года производили 26,9 миллиарда литров (7 миллиардов галлонов) в год. [21] E10 или Gasohol обычно продается в Делавэре, а E85 встречается во многих штатах, особенно на Среднем Западе, где этанол из кукурузы производится на местном уровне.

Многие штаты и муниципалитеты потребовали, чтобы все бензиновое топливо смешивалось с 10-процентным спиртом (обычно этанолом) в течение некоторого времени или в течение всего года. Это сделано для уменьшения загрязнения и позволяет этим территориям соответствовать федеральным ограничениям по загрязнению. Поскольку алкоголь частично насыщен кислородом, он производит меньше общего загрязнения, включая озон . В некоторых регионах (в частности, в Калифорнии) правила могут также требовать других составов или добавленных химикатов, которые уменьшают загрязнение, но усложняют распределение топлива и увеличивают стоимость топлива.

Европейский Союз [ править ]

Япония [ править ]

Первое спиртовое топливо в Японии началось с производства GAIAX в 1999 году. GAIAX был разработан в Южной Корее и импортирован Японией. Основным ингредиентом был метанол.

Поскольку GAIAX не был бензином, он был не облагаемым налогом объектом японского налога на газ . Однако в результате использование GAIAX стало рассматриваться правительством и нефтяной промышленностью в Японии как акт контрабанды. Продажа GAIAX в розницу осуществлялась во избежание критики уклонения от уплаты налогов путем самостоятельной уплаты налога на дизельное топливо в соответствии с положениями правовой системы.

О случайных возгорании транспортных средств на заправке GAIAX начали поступать сообщения примерно в 2000 году, когда обсуждение уклонения от уплаты налогов почти закончилось. Автомобильная промышленность Японии раскритиковала GAIAX, заявив, что «пожары возникли из-за того, что спирт с высоким содержанием спирта разъел топливные трубы». GAIAX был назван «топливом на основе спирта высокой плотности», и была проведена кампания по его исключению с рынка в долгосрочной перспективе. Наконец, к этой кампании присоединилось Министерство экономики, торговли и промышленности . [25]

В 2003 году под предлогом соображений безопасности был пересмотрен метод определения качества бензина . Это запретило производство и продажу «топлива на основе спирта высокой плотности» и добавило существенный запрет на продажу GAIAX. Пересмотрев закон, производителям топлива запрещается добавлять в бензин 3% и более спирта. Эта поправка к закону является основанием для того, чтобы не продавать спиртосодержащее топливо выше E3 в Японии.

Нефтяная промышленность Японии в настоящее время продолжает исследования и разработку оригинального спиртового топлива, которое отличается от GAIAX. Однако коммерческое производство и продажа любого нового топлива могут быть запрещены действующими законами, которые в настоящее время исключают GAIAX с рынка. Более того, сильное отвращение японского потребителя к топливу на основе спирта высокой плотности любого типа может помешать коммерческому успеху любого нового топлива.

См. Также [ править ]

  • Анаэробное пищеварение
  • Биоконверсия биомассы в смешанное спиртовое топливо
  • Биоэтанол
  • Биогаз
  • Бутанол
  • Прямое биотопливо
  • E85
  • Экален
  • Развитие энергетики
  • Топливный этанол
  • Водородное топливо
  • Топливо метанол
  • Пропанол
  • Хронология алкогольного топлива

Ссылки [ править ]

  1. ^ ФЕРМЕНТИЧЕСКОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА В МЕТАНОЛ « Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 15 марта 2012 года . Проверено 28 ноября 2010 .CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )
  2. Перейти ↑ Owen, K., Coley., CS Weaver, «Справочник по автомобильным топливам», SAE International, ISBN 978-1-56091-589-8 
  3. ^ Неметановые углеводороды « Архивная копия» . Архивировано из оригинала на 2011-07-27 . Проверено 27 ноября 2010 .CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )
  4. Kelly, KJ, Bailey, BK, Coburn, TC, Clark, W., Lissiuk, P. «Результаты испытаний на выбросы выбросов в соответствии с Федеральной процедурой испытаний автомобиля Chevrolet Luminas с регулируемым топливом на этаноле», Технический документ SAE 961092
  5. ^ Бринкман, Н., Халсалл, Р., Йоргенсен, С.В. и Кирван, Дж. Э., «Разработка улучшенных технических условий на топливо для метанола (M85) и этанола (Ed85)», Технический документ SAE 940764
  6. ^ "Влияние спиртового топлива на материалы топливопровода бензиновых автомобилей" . SAE. Архивировано 4 декабря 2013 года.
  7. ^ «Технология: этанол» . Indycar.com. Архивировано из оригинала 8 июля 2007 года . Проверено 22 мая 2007 года .
  8. ^ «Новый Южный Уэльс потребует этанола в бензине» . Сидней Морнинг Геральд. 2007-05-11. Архивировано 21 октября 2007 года . Проверено 5 октября 2007 года .
  9. ^ «Сделай свое собственное топливо» . Tripod.com. Архивировано 29 сентября 2007 года . Проверено 22 мая 2007 года .
  10. ^ «BP, ABF и DuPont объявляют об инвестициях в биотопливо в Великобритании на сумму 400 миллионов долларов» . BP. Архивировано из оригинального 24 августа 2007 года . Проверено 3 августа 2007 года .
  11. ^ «Бутанол работает в вашей машине сегодня» . Экологическая энергия, Inc. Архивировано 29 мая 2007 года . Проверено 22 мая 2007 года .
  12. ^ Главная Архивировано 1 ноября 2007 г. в Wayback Machine .
  13. ^ Anuario да Indústria Automobilística Бразильская 2018, Anfavea
  14. ^ "Lula diz que taxa dos EUA sobre etanol não tem sentido" (на португальском языке). Инверция. 2007-03-05. Архивировано из оригинала на 2007-03-07 . Проверено 22 мая 2007 .
  15. ^ "Indústria comemora 30 anos do 1º carro a álcool no país (португальский)" . globo.com. 2009-09-19 . Проверено 20 февраля 2013 .
  16. ^ a b «Взлет, падение и подъем биотоплива Бразилии» . BBC News . 2006-01-24. Архивировано 07 августа 2007 года . Проверено 22 мая 2007 .
  17. ^ "de carros flex sobe em maio para 210,4 mil unidades" (на португальском языке). Инверция. 2009-06-04. Архивировано из оригинала на 2011-07-06 . Проверено 16 декабря 2009 .
  18. ^ «Женщины в Бразилии протестуют против визита Буша: бедные отказываются выращивать топливо для богатых» . Food First / Институт политики в области продовольствия и развития. 2007-03-07. Архивировано из оригинала на 2011-09-27 . Проверено 4 декабря 2011 .
  19. ^ «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 04.05.2014 . Проверено 4 мая 2014 . CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка ) 各种 动力 的 抗战 牌 汽车
  20. ^ «Спиртовое эфирное топливо в Китае» (PDF) . Риверсайдский институт экологических исследований Калифорнийского университета. 13 ноября 2005 г. Архивировано из оригинального (PDF) 09.10.2011 . Проверено 4 декабря 2011 .
  21. ^ Этанол Книга Фактов архивации 2008-05-28 в Wayback Machine
  22. ^ Биотопливо барометр 2007 - EurObserv'ER [ постоянная битая ссылка ] Systèmes solaires Le журнал дез ENERGIES renouvelables п ° 179, стр. 63–75, 5/2007
  23. ^ Барометр биотоплива 2008 - EurObserv'ER [ постоянная мертвая ссылка ] Systèmes solaires Le journal des énergies renouvelables № 185, стр. 49–66, 6/2008
  24. ^ Биотопливо барометр [ постоянная битая ссылка ] Euroberv'er - июль 2009, № 192 p.54-77: обнаруж. Данные за 2008 год являются предварительными и еще не подтверждены.
  25. ^ 「高 濃度 ア ル コ ー ー ル 含有 燃料 は 車 の 安全 に NO! 環境 に NO!」 Архивировано 18 мая 2010 г. в Wayback Machine経 済 産業 省 ・ 資源 エ ネ ル ギ ー 庁 HP

Внешние ссылки [ править ]

  • Всемирный банк, Биотопливо: перспективы и риски. Доклад о мировом развитии 2008: сельское хозяйство в целях развития
  • Биобутанол от EERE .
  • http://www.greencarcongress.com/biobutanol/index.html
  • https://web.archive.org/web/20080528051420/http://www.ethanol.org/pdf/contentmgmt/2007_Ethanol_Fact_Book.pdf