Закат нефтяной эры, часть 2:

Сегодня 95% всех автомобилей все еще потребляют бензин или дизтопливо. О скором и полном переходе на альтернативное топливо говорить рано. Революции не будет – замена энергоносителей идет эволюционным путем.

Полным ходом ведутся исследования, направленные на замену традиционного топлива новыми видами без радикального изменения конструкции ДВС. Такой путь наименее затратен, а потому пользуется правительственной поддержкой и наиболее популярен в научно-исследовательских центрах.

В этой статье рассмотрим основные разработки, уже применяемые на практике и не требующие значительных изменений конструкции существующих ДВС. (Об агрегатах на «газовом ходу» планируется отдельный материал).

ЭТАНОЛ

Начнем с самой кощунственной для российской ментальности альтернативы – этанола. Этанол, в переводе на «народный» язык – обыкновенный питьевой спирт. Как его получают? Просто: полученную из древесины целлюлозу подвергают гидролизу («осахариванию»); образовавшуюся техническую глюкозу в присутствии дрожжей заставляют бродить, и на выходе имеем этиловый спирт – тот самый С2Н5ОН. В качестве автомобильного топлива этанол по некоторым параметрам превосходит бензин. В нем меньше примесей, а октановое число по исследовательскому методу достигает 125 единиц. Поэтому этанол иногда используют как высокооктановую добавку – например, «92‑й» бензин с 10 % этанола становится «девяносто пятым» (схожее горючее, Е-10, используется в Таиланде). Однако теплотворная способность этанола существенно ниже бензина (21,2 кДж / л против 31,9 кДж / л) – отсюда и более высокий расход топлива. Кроме того, этанол очень гигроскопичен – при контакте с водой он нарушает характеристики смеси. Поскольку алкоголь получается в результате ферментации сахара в процессе брожения зерновых крахмало- и сахаросодержащих культур, то топливо на его основе особо популярно в теплых странах. Так, Бразилия, через два года после нефтяного кризиса в 1973 г. с помощью СССР запустила программу PROALCOOL, направленную на перевод двигателей с бензина на спирт. Сегодня в стране уже 7 млн авто заправляются этанолом и еще 9 млн – его смесью с бензином (газохолом). Второй мировой лидер по изготовлению этанола для нужд автотранспорта – США. Там С2Н5ОН производят на 60 сахарных заводах. Общий выход продукции – 2 млрд галлонов в год (около 8 млрд л), этанол-бензиновая смесь составляет 10 % топливного рынка США. В настоящее время в мире ежегодно производится 330 млн галлонов спирта (1 галлон – 3,785411784 л). 13 % его используется для пищевых целей, 21 – для промышленных (химическая, косметическая и фармацевтическая промышленности), а остальные 66 % – в качестве горючего для двигателей. 60 % спирта вырабатывается из сахарсодержащего сырья, 33 % – из крахмалсодержащего и 7 % приходится на долю синтетического спирта.

Сегодня стоимость этанола в среднем гораздо выше себестоимости бензина. Но наука не стоит на месте: уже разработана мeтодика воспроизводства этилового спирта, умeньшающая стоимость топлива за счет дeшeвых и высокоэффeктивных фeрмeнтов, прeобразующих цeллюлозу растeний в этиловый спирт. Здесь мы плавно переходим к биоэтанолу: применяя более сложную технологию, этанол можно производить не только из злаков. Путем биохимического превращения растительной целлюлозы в сбраживаемый сахар получают биоэтанолы второго поколения. Именно этим путем идет сегодня большинство исследователей.

Как и в случае с гибридным двигателем (см. TopCar № 6), идея использования спирта в качестве горючего – история «с бородой». Первый ДВС, работающий на спирте и скипидаре, разработал еще Сэмюель Морей в 1826 г. В 1860 г. Николаус Отто исполь‑ зовал этиловый спирт как топливо для своего двигателя с четырехтактным циклом, так как он не облагался налогом и был доступен для спиртовых ламп во всей Европе. Генри Форд вообще называл этанол «топливом будущего»: легендарный Ford-Т был первым доступным транспортным средством с гибкой системой подачи топлива – двигатель мог работать на этаноле, бензине или на этих двух видах топлива в любом их сочетании.

Плюсы этанола как топлива:  

- запасы сырья разнообразны и почти неограниченны;

- ниже токсичность выхлопных газов;

- высокое октановое число.

Однако не все так просто с этим топливом. Ученые из Стэнфордского университета провели исследования и выяснили, что замена бензина спиртом может повлечь за собой серьезные негативные последствия. Результаты компьютерной модели, симулирующую ситуацию перехода автомобилей на этанол, оказались шокирующими. Несмотря на то, что массовое использование спирта позволяет уменьшить выбросы в атмосферу двух опасных канцерогенов – бензола и бутадиена, это приведет к существенному увеличению выбросов формальдегида и ацетальдегида. Таким образом, бензиновые моторы, которые считают одними из виновников распространения онкологических заболеваний, оказываются менее опасными, чем спиртовые!

Минусы этанола как топлива:

- нужно вносить конструктивные изменения в систему питания;

- мощность двигателя снижается, а расход горючего увеличивается;

- из-за гигроскопичности спирта могут ухудшаться пусковые свойства двигателя;

- этанол вызывает коррозию деталей двигателя.

МЕТАНОЛ

Метанол, более известный как метиловый (или древесный) спирт, как моторное топливо имеет высокую детонационную стойкость (октановое число по моторному методу 91‑94, по исследовательскому 120‑130) и высокую теплоту горения, что делает его особенно подходящим для двигателей с высокой степенью сжатия, работающих по циклу Отто. Эти обстоятельства обеспечивают его применение на гоночных автомобилях и мотоциклах. Метанол широко используется и как сырье, из которого автомобили на топливных элементах черпают водород, но водородные автомобили – тема отдельной статьи.

Плюсы метанола как топлива:

- запасы сырья практически неограниченны;

- может использоваться как сырье для производства синтетического бензина.

Минусы метанола как топлива:

- вызывает коррозию деталей.

СИНТЕТИЧЕСКИЙ БЕНЗИН

Сырье для его производства – уголь, природный газ, отходы деревообрабатывающей промышленности, сельского хозяйства и даже бытовой мусор. Но наиболее перспективным считается синтезирование бензина из природного газа. Из 1 куб. м газа получают 120‑180 г синтетического бензина. За рубежом производство синтетических моторных топлив из природного газа уже освоено в промышленном масштабе. Так, в Новой Зеландии из предварительно полученного метанола ежегодно синтезируется 570 тыс. т моторных топлив. Однако пока синтетические топлива из природного газа в 1,8-3,7 раза (в зависимости от технологии получения) дороже нефтяных.

Плюсы:

- возможно получение требуемых характеристик топлива;

- в синтетическом дизтопливе отсутствует сера;

- выбросы вредных веществ ниже, чем при использовании нефтяного горючего;

- запасы сырья практически неограничены.

Минусы:

- высокие затраты энергии для производства.

БИОТОПЛИВО

Представляет собой топливо на основе растительных масел или любых животных жиров – даже тех, которые остаются в ресторанах после приготовления пищи. Напомним, двигатель Рудольфа Дизеля образца 1890 года работал на арахисовом масле. Технологий производства биотоплива несколько. Одна из них – переработка сельскохозяйственных отходов. Сырьем могут служить древесина, солома, навоз… Отходы нагреваются до 400‑500°С, выделившийся газ проходит ряд превращений в присутствии катализатора и на выходе получается дизельное топливо. Кроме того, биодизель нейтрален по отношению к окружающей среде – при сгорании в атмосферу возвращается та углекислота, что была поглощена растениями при росте. Использование биотоплива позволяет выполнять нормы токсичности Евро 4 даже двигателям, рассчитаным на Евро 3. Но литр биосолярки пока дороже обычной.

Вторая технология приготовления биотоплива – добавление в дизельное топливо рапсового масла. Эфиры масла добавляются в количестве 5-30 % к топливу или используются самостоятельно. Из семян отжимают масло, добавляют к нему чистый (99,6 %) метиловый спирт и щелочь. Смесь отстаивается, после чего на дне остается глицерин, который можно использовать для производства химической продукции, а сверху собирается биотопливо. Смешанное с дизельным топливом, оно используется в неадаптированных двигателях. Для использования биотоплива в чистом виде из‑за его более высокой вязкости (почти в 20 раз выше по сравнению с соляркой) требуется другая топливная аппаратура и изменение камеры сгорания.

Сырьем для производства биотоплива служат масла и других растений или водорослей. В разных странах в зависимости от климатических условий и развития АПК существуют свои сырьевые предпочтения:

Европа – рапс;

США – соя;

Канада – канола (разновидность рапса);

Индонезия, Филиппины – пальмовое и кокосовое масло;

Африка – соя, ятрофа;

Бразилия – касторовое масло.

Также применяется отработанное растительное масло (из ресторанов и столовых), животные жиры, рыбий, китовый жир и т. д. Испанские ученые предлагают в качестве топлива использовать… кожуру апельсинов. Ежедневно более 4 млн т цитрусовых идут на изготовление сока. Ученые подсчитали – одна тонна отходов (цедры апельсинов) может принести 80 литров биотоплива. Американцы уже начали строительство завода во Флориде, где будут выпускать «апельсиновое» топливо.

Лидер в производстве биодизеля – Германия. Только в 2006 году там произведено его 3,4 млн тонн. Используется биотопливо в основном сельхозпроизводителями. Фермеры сами выращивают рапс, покупают маломощные (300‑3000 т / год) установки и получают топливо для своей техники. В Австрии такое топливо уже сейчас составляет 3 % общего рынка дизтоплива. По оценкам экспертов, нынешние возможности сельского хозяйства Европы способны обеспечить биотопливом до 80 % всех легковых дизелей.

Во Франции производство биотоплива, или, как его там называют, – дизтера (diestera), более централизовано. Его основной потребитель – коммерческий автотранспорт и автобусы, проезд которых в некоторых городах и провинциях на обычном дизтопливе запрещен, а штрафы за превышение норм выбросов токсичных веществ с лихвой перекрывают разницу в стоимости биотоплива и обычного дизтоплива.

Плюсы биотоплива:

- малые выбросы вредных веществ;

- запасы сырья могут возобновляться ежегодно;

- в ходе переработки масла получают дополнительные продукты (глицерин, сульфат натрия).

Минусы биотоплива:

- себестоимость производства выше, чем бензина и дизтоплива;

- эфиры рапсового масла обладают значительной коррозионной активностью;

- ниже мощность двигателя и выше расход горючего;

-  в холодное время года, как и обыкновенное дизтопливо, биодизель необходимо предварительно подогревать.

ОТРАБОТАННОЕ МАСЛО

В настоящее время в ряде стран мира весьма эффективно работают установки, преобразующие отработанное масло (моторное, трансмиссионное, гидравлическое, индустриальное, трансформаторное, синтетическое и т. д.) в состояние, которое позволяет полностью использовать его в качестве моторного топлива. Аппарат подмешивает очищенные в установке масла в топливо в точно заданной пропорции, с образованием неразделяемой топливной смеси.

Справедливости ради надо отметить, что препятствием для производства этанола в нашей стране в промышленных масштабах является не столько опасность его нестандартного употребления, сколько тот фактор, что наиболее эффективными продуцентами для таких топлив являются представители тропической и субтропической флоры.

Текст: Виктор Федоров