Альтернативные виды топлива: краткая характеристика новейших разработок

Водород

Водород может быть получен химическим про­цессом из природного газа, угля, сырой нефти или биомассы, либо электролизом из воды. Сегодня водород, в основном, получают из природного газа при его каталитическом взаи­модействии с водяным паром. При использо­вании водорода в качестве топлива эмиссия СО₂ не обязательно является преимуществом по сравнению с бензином, дизельным топли­вом или прямым использованием природного газа в двигателе внутреннего сгорания.

Сокращение эмиссии СО₂ достигается тогда, когда водород регенеративно по­лучают из биомассы или электролизом из воды, при условии, что для этого использу­ется регенеративно генерируемый электриче­ский ток. При сгорании водорода в двигателе эмиссия СО₂ локально не происходит.

Хранение водорода

У водорода может быть очень высокая плот­ность энергии относительно массы (прибли­зительно 120 МДж/кг, что почти в три раза больше, чем у бензина), но его плотность энергии относительно объема очень низка из-за небольшой удельной плотности. Когда дело доходит до хранения, это означает, что водород должен быть сжат под давлением (в 350-700 бар) или сжижен (криогенное хранение при -253 °С), с тем чтобы достиг­нуть приемлемого объема резервуара. Дру­гой способ хранения для водорода состоит в том, чтобы он сохранялся в виде гибрид­ного соединения.

Применение в автомобилях водорода

Водород может использоваться как в приво­дах с топливными элементами, так и непо­средственно в двигателях внутреннего сгора­ния. В долгосрочной перспективе акцент, как ожидают, будет сделан на его применении в топливных элементах. В этом случае до­стигается лучшая эффективность, чем при использовании Н₂ в двигателях внутреннего сгорания.

Производство

Получение топлива возможно путем перегонки, высокотемпературной обработки, т.е. крекинга, а также низкотемпературного воздействия, т.е. риформинга и т.д. Существует еще несколько методов получения бензина из сырья. После первичной обработки проводится очистка сырья и введение в состав специальных присадок, повышающих качество продукта.

Из чего делают бензин?

Главным сырьем, из которого изготавливается топливо, выступает сырая нефть. Возможно производство данного вещества путем сложной переработки каменного угля и природного газа, но данные методы используются крайне редко из-за высокой стоимости процесса.

Технология производства

Производство бензина — это технологически сложный процесс. Сначала берутся пробы сырья для определения включения в них примесей солей и серы. Измеряется объем включения легких фракции.

Наиболее простой метод получения топлива — это атмосферно-вакуумная перегонка. Она позволяет отделить легкие фракции. После этого выполняется очищение сырья от примесей солей и серы, т.к. эти вещества ухудшают качество готового продукта. Включение данных веществ в нефти, добываемой по всему миру, неоднородно. На большинстве месторождений России нефть содержит большое количество серы, поэтому ценится даже ниже, чем сырье, которое добывается в Азербайджане.

Процедуры очищения позволяют получить достаточно большое количество топлива из сырья, но оставшихся нефтяных фракций, незадействованных в процессах, сохраняется немало. Их отправляют на вторичную перегонку. Кроме того, во время данной процедуры выполняется частичный каталитический крекинг. После этого переработанное сырье подвергается каталитическому риформингу.

Подготовленное сырье подвергается крекингу. При данной процедуре в тяжелых фракциях при их нагреве до 700°C наблюдается разрыв молекулярный цепочек. Это способствует формированию вторичного продукта. При низкотемпературной обработке сырья выход конечного продукта составляет не более 20%, но при обработке при высоких температурах объем полученного готового продукта возрастает до 70%.

После этого полученный продукт обрабатывается в газофракционирующей установке. В него добавляют дополнительные компоненты, которые подразделяются на классы и сорта. После этого готовый бензин поступает на АЗС.

Проблемы современной российской энергетики

В связи с этим в аннотации обсуждаются выгоды, возникающие от производства местного топлива: социальные, экологические, экономические.

Проблемы современной российской энергетики и перспективы использования возобновляемых источников энергии и местных видов топлива

Принципиальным недостатком современной энергетики следует назвать опору на быстро истощающиеся источники энергии — нефть и газ, которые в сумме составляют 50% энергобаланса страны. Объявленная Правительством Российской Федерации стратегия развития энергетики до 2030 года предусматривает дальнейшее механическое увеличение добычи этих видов энергоресурсов: до 530 млн тонн нефти и до 935 млрд кубометров. метров газа в 2030 году.  

Между тем, по оценке Петербургского горного института, обеспеченность России прибыльными запасами нефти составляет 10 лет, а газа — 20 лет. Более того, речь идет, в основном, о заповедниках, разработка которых еще не началась. 

Не менее существенный недостаток современной энергетической модели состоит в том, что эти быстро истощающиеся ресурсы расходуются не только на внутренние нужды России, но и в больших объемах вывозятся на экспорт.

Существующая энергетическая стратегия предусматривает не только увеличение физического объема экспорта энергоносителей, но и значительное увеличение доли экспорта в общем объеме производства.

При такой энергетической политике в ближайшие 20 лет российская промышленность и экономика будут стагнировать из-за острой нехватки энергии и топлива. Уже в настоящее время в России электроэнергетика не только не опережает развитие производства, но и существенно отстает, в результате чего формируется дефицит электроэнергии. Проект энергетической стратегии до 2030 года, разработанный Правительством Российской Федерации, лишь убеждает в том, что острый энергетический дефицит в России будет сохраняться и нарастать.   

Следует также отметить некоторые структурные недостатки Единой энергетической системы. В России наблюдается односторонний подход к развитию энергетики, выражающийся в механическом увеличении генерирующих мощностей (в частности, проекты строительства около 40 АЭС, нескольких крупных гидроэлектростанций в Восточной Сибири).. Такой подход сформировался в СССР, когда на его основе была сформирована крупнейшая и лучшая по техническому оснащению энергосистема — Единая энергосистема.  

Однако при всех своих достоинствах эта система имела определенные недостатки:

• чрезвычайная капиталоемкость при модернизации и расширении;
• потребность в топливе определенного качества в больших количествах (что создало потребность в разработке крупных месторождений газа и угля),
• чрезвычайно долгая транспортировка топлива из-за удаленности основных объектов энергетики от крупных топливных месторождений, среднее расстояние транспортировки составляет около 4000 км.

Текущая ситуация в энергетическом секторе усугубляется крайней неэффективностью инвестиций в этот сектор.

Таким образом, российскую экономику в ближайшие 20 лет и далее, даже при самых благоприятных внешних условиях, ожидает длительная стагнация из-за недостаточных энергетических мощностей, структурных дефектов топливно-энергетического комплекса и внешнеэкономических приоритетов. И как следствие — дефицит энергии на внутреннем рынке. Это одна из важнейших проблем для дальнейшего развития экономики России, которую необходимо решать, применяя новые подходы и технологии.  

Предыдущая стратегия развития энергетики России, как показывает практика, не способна решить основные энергетические проблемы России хотя бы потому, что основной задачей этой стратегии было увеличение физического объема и доли экспорта энергоносителей.

Основная роль в формировании нового облика отечественной энергетики может и должна принадлежать ряду недавно разработанных технологий в области возобновляемых источников энергии, переработки местных топливных и нетопливных отходов.

Регламенты, которые регулируют качество топлива

Стоит отметить, что на данный момент на территории России качество реализуемого топлива регламентируют сразу семь ГОСТов. В данном случае три из них имеют непосредственное отношение к бензину (P51105, P51866 и 32513), а четыре относятся к солярке (P52368, 32511, P55475 и 305)

Здесь необходимо принимать во внимание тот факт, что текущее российское законодательство не обязывает компании строго следовать условиям ГОСТа, из-за чего можно придерживаться и некоторых иных нормативов. В частности, производители нередко принимают во внимание технические условия (ТУ) или соответствующий стандарт организации (СТО)

Читайте наc:

Разумеется, в данном случае лучше доверять горючей смеси, чье производство в полной мере соответствует нормам ГОСТ. При желании, каждый автолюбитель при посещении заправочной станции может ознакомиться с технологией производства и предусмотренным нормам. Сведения об этом всегда присутствуют в открытом порядке, а кроме того, необходимые документы вывешены на территории АЗС, чтобы каждый желающий заправиться автомобилист мог ознакомиться с условиями. Стоит отметить, что основные нормативы в данном случае излагаются в техническом регламенте таможенного союза.

Также автомобилистам стоит присматриваться к маркировке используемого топлива. Так, к примеру, стандартный 95-й бензин имеет обозначение, как АИ-95 К5. Это означает, что топливо соответствует 5 классу качества. Примечательно, что на территории с 2016 года действует запрет на использование горючих смесей, которые не соответствуют этому классу. Что касается отличия топлива АИ-92 и АИ-95, то речь идет про допустимое содержание определенных примесей, повышающих октановое число горючей смеси. Кроме того, автолюбители должны понимать, что присутствующий экологический стандарт Евро-5 никакого отношения к дизельному или бензиновому топливу не имеет, по той простой причине, что применяется к уровню выбросов CO2 автомобиля. По этой причине, не стоит вестись на надписи типа «Наш бензин полностью соответствует требованиям Евро-5». Таким образом заправочные станции проводят маркетинговый ход.

Как работает топливный элемент?

В статье уже упоминалось о топливном элементе, который планируется устанавливать в автомобилях нового типа. Давайте подробнее познакомимся с его принципом действия. 

Топливный элемент – электрохимическое устройство, которое преобразует энергию, хранящуюся в химической формуле, в электроэнергию, воду и тепло. Он состоит из двух электродов: анода и катода. Для их изготовления используют угольные пластины, покрытые платиной. На аноде подающийся гидроген распадается, при потере электрона. В это время кислород на катоде соединяется с пришедшим патроном.  По большому счету топливный элемент можно сравнить с батареей, у которой вырабатывается постоянный ток в результате химической реакции. Разница между ТЭ и батареей заключается в том, что он не накапливает электричество, не разряжается и его не нужно повторно заряжать. Он будет работать до тех пор, пока имеется запас топлива и воздуха. Отличительной особенностью еще можно назвать то, что элементы не сжигают топливо, как другие электрогнераторы.

Поэтому в нем нет шумных роторов с высоким давлением. Как следствие отсутствие громкого шума при выхлопе и отсутствие вибраций. 

Еще к плюсам углеводородных двигателей можно отнести их способность работать при низких температурах, что сокращает время запуска. Это происходит благодаря графитовым ячейкам, которые  дают возможность проходить реагентам с сохранением электрического контакта с электролитом. Благодаря этому в холода не придется прогревать двигатель.

Правда у таких элементов имеется одна особенность. Низкая плотность изотопа несет с собой трудности проектирования системы для его хранения в машине. Для хранения придется использовать бак, превышающий обычный в 800 раз. Но сегодня разработаны основные решения для его хранения:

• в сжатом виде, когда он находится в баллонах;
• на криогенных станциях, где газ хранится при низкой температуре;
• в виде сплавов (металл и гидрид), поглощающих водород.

Пока заправка авто с водородным двигателем весьма дорогой процесс, требующий гибкой связи между заправщиком и автомобилем, который обеспечивает запечатанную систему.

Спирты

Посреди альтернативных видов автомобильных топлив широкое распространение получили спирты, известные хорошей возгораемостью, а именно этанол и метанол, добавляемые к бензину или самостоятельно в чистом виде. Этанол активно используется в жарких странах Латинской Америки, добывается из отходов древесины и сахарного тростника. Этиловый спирт отличается высоким октановым числом, он обеспечивает высокую производительность двигателя и снижает уровень вредных выбросов.

Метанол или древесный спирт, добываемый из хвои, успешно применяется США и европейскими государствами как альтернативное топливо ввиду дешевизны производства. Метиловый спирт имеет высокое октановое число и по стоимости ниже, чем этиловый. На заправках можно встретить бензин с добавлением спиртов, маркирующийся буквенными обозначениями Е и М, а также цифрами, которые свидетельствуют о процентном содержании спирта. В случае маркировки М100 или Е100, заливать горючее в обыкновенный ДВС нельзя. Применение стопроцентных спиртов, как этанола, так и метанола в качестве топлива потребует переоборудования двигателя автомобиля.

При таком обилии альтернатив никаких серьёзных подвижек не наблюдается для перехода на новый уровень технологического развития, и бензин по-прежнему остаётся главным видом горючего для заправки автомобилей. Сомнительно, что в ближайшие годы мы увидим воочию технологический прорыв в направлении полной или хотя бы хоть сколько-нибудь частичной замены традиционного топлива альтернативным, но в целом разработки весьма перспективны.

Отрицательные моменты сжигания отходов

Идея строительства мусоросжигающих заводов в масштабных размерах не приводит экологов к оптимистичным прогнозам. Если все процессы на производстве по сжиганию мусора не будут отлажены, всегда есть риск попадания опасных отходов в атмосферу

Важно взять контроль за строгим соблюдением технологии и процессом сортировки. А также постоянно принимать меры по повышению осознанности населения при обращении отходов

Альтернативой сжиганию мусора является пиролиз. Это процесс разложения отходов под действием термической обработки. В результате такого способа переработки является смесь горючих газов, состав которых зависит от исходного сырья. В дальнейшем ее можно использовать в качестве топлива на химических производствах. Те остатки, что не превратились в газ, не токсичны. В развитых странах им нашли применение при строительстве автомагистралей. поэтому пиролиз можно считать полностью безотходным процессом утилизации.

Биоэтанол

Еще один альтернативный вариант топлива, который широко применяется на территории США и Бразилии. Речь в данном случае идет про этанол. Этот состав производится из растительного сырья и прекрасно подходит для работы модернизированных двигателей внутреннего сгорания. Более того, это топливо также можно использовать и в случае со стандартными бензиновыми моторами, но при условии, что за основу будет взят бензин, а биоэтанол составит не больше 15% от всего состава. На территории России это вещество не производится. Что же касается мировых цифр, то 87% автомобилей, работающих на такой горючей смеси, приходятся на США и Бразилию.

Почему нефть не закончится

Артем Козинов называет 5 главных причин:

• Мы до сих пор не знаем, как образуется нефть. На этот счет есть 2 теории: органическая и неорганическая. Сторонники первой считают, что углеводороды появились в древности из органического вещества и планктона под воздействием высоких температур и давления. Вторые полагают, что нефть образовалась на большой глубине в мантии Земли из-за сложных химических реакций. Но обе теории говорят о том, что нефть возобновляема;

• Нефть не всегда зарождается там, где ее добывают. Это также следует из теорий ее происхождения и означает, что новейшие методы разработки позволят снова и снова добывать нефть в нужных количествах;

• Человечество добывает меньше половины мировых запасов нефти. Даже при интенсивной добыче в нефтяных месторождениях мы извлекаем лишь меньшую часть углеводородов;

• Нефть добывают далеко не из всех открытых месторождений. Многие из них пока плохо исследованы и не освоены;

• Многие месторождения до сих пор не обнаружены.

Дополнительным фактором служит то, что добыча нефти ограничена международными организациями — такими, как ОПЕК и Международное энергетическое агентство.

История

Основная статья: Синтетическое жидкое топливо

NYMEX цены на нефть West Texas Intermediate

Во время Второй мировой войны Германия в значительной степени, до 30 % в отдельные годы, удовлетворяла свои нужды в топливе за счет создания производственных мощностей для переработки угля в жидкое топливо. Как считал «личный архитектор Гитлера» Альберт Шпеер, в техническом отношении Германия потерпела поражение 12 мая 1944 года, когда вследствие массированных бомбардировок союзников было уничтожено 90 % заводов, производящих синтетическое горючее.

Аналогично этому, Южная Африка с теми же целями создала предприятие Sasol Limited, которое во времена Апартеида помогало экономике этого государства успешно функционировать, несмотря на международные санкции.

В США компании-производители такого топлива часто получают государственные субсидии и производят «синтетическое топливо» из смеси угля с биологическими отходами. Такие методы получения государственных субсидий подвергаются критике со стороны «зелёных», как пример злоупотребления особенностями налоговой системы корпорациями. Синтетическое дизельное топливо, получаемое в Катаре из натурального газа, отличается низким содержанием серы, поэтому его добавляют к обычному дизельному топливу для снижения уровня серы, что необходимо для маркетирования дизтоплива в тех штатах США, где существуют особенно высокие требования к его качеству (например, в Калифорнии).

Сейчас использование технологии Фишера — Тропша возможно лишь при устойчивых нефтяных ценах выше 50—55 долларов за баррель.

Показатели качества автомобильного топлива

 Все качественные показатели топлива по ГОСТу  делятся на обязательные для отдельных видов топлив (например, фракционный состав, цетановое и октановое число, давление насыщенных паров) и обязательные для всех видов топлив (содержание механических примесей, серы, воды и т.д.).

 Фракционный состав определяется зависимостью между температурами и количеством топлива, которое при этих температурах перегоняется. Выражается фракционный состав в температурах, при которых начинается перегонка (t_нп), перегоняется  (t_20%, t_70%) и заканчивается (t_кп).

 Цетановое число – это показатель воспламеняемости топлива (если двигатель с внутренним смесеобразованием). Цетановое число определяется путем сравнения с образцом (эталонным топливом). В качестве образца выступает  смесь α-метилнафталина и цетана.

 Октановое число –  показатель, определяющий детонационную стойкость топлива для двигателей с внешним смесеобразованием.  Октановое число топлива определяется путем сравнения с эталоном. Сравнивают детонационную стойкость испытуемого топлива с таким же показателем нормального гептана и изооктана на моторных установках ИТ9-6 (исследовательский метод) и ИТ9-2м (моторный метод). Обеими методами (исследовательским и моторным) позволяет определить октановое число моторная установка УИТ-65м. У жидкого топлива октановое число равно содержанию в смеси с нормальным гептаном изооктана (в процентах) у эталонного топлива, которое  равноценно испытуемому бензину по детонационной стойкости. Зачастую величина октанового числа, которое было определено  с использованием исследовательского метода на 4-10 больше, чем величина, определена  моторным методом.

Топливо с большим октановым числом может применяться при высокой степени сжатия карбюраторного двигателя.

 Кислотность показывает, сколько в топливе содержится органических кислот. Кислотность топлива является одним из показателей его коррозионных свойств.  Определяется по ГОСТ 5985-79. Выражается кислотность топлива в миллиграммах  КОН (едкого калия), который необходим для нейтрализации кислот, которые содержатся в 100 см3 топлива.

Давление насыщенных паров показывает наличие в топливе примесей легковоспламеняющихся фракций и растворенных газов.

 Содержание серы показывает, сколько содержится в сернистых соединениях топлива серы. Эти соединения после сгорания могут вызывать коррозию деталей двигателя (сернистая коррозия). Содержание в топливе серы определяется по ГОСТ 19121-73.  Это основной показатель коррозионности топлив.

 Содержание воды и механических примесей является обязательным для всех видов топлив и оценивается по ГОСТ 6370-83 и ГОСТ 2084-77.

 Наличие в топливе водорастворимых щелочей и кислот (остатки химических реагентов) свидетельствует о том, что оно предварительно проходило очистку на нефтеперегонных заводах. Такие примеси качественно определяются по ГОСТ 6307-75.

Когда мы откажемся от нефти?

Сегодня нефть по-прежнему является топливом № 1 в мире: доля ее потребления — 31%, то есть выше, чем уголь, газ и возобновляемые источники. Но это уже на 14% меньше, чем в начале 1970-х, на пике развития индустриальной экономики. Отчасти повлияли ограничения на добычу нефти, впервые введенные в 1973 году ОПЕК для борьбы с нефтяным кризисом.

Дальше будет примерно следующее:

• Некоторые эксперты считают, что к 2050 году спрос на сырую нефть сократится до 14 млн баррелей в день (прогноз на 2021 год — 96,7 млн баррелей);

• Потребление сырой нефти для нужд энергетики упадет с 11 до 4 млн баррелей в сутки. В падении спроса сыграет роль и то, что международные организации ставят целью перерабатывать до 75% всего пластика. Это, в свою очередь, сократит потребность в новых пластиковых изделиях, которые тоже производят из нефтепродуктов;

Экономика инноваций

Выше евростандартов: как «Роснефть» запустила производство экотоплива

• Спрос на нефтехимию — то есть продукты нефтепереработки — наоборот, в ближайшие 20-30 лет вырастет до 2 раз. За последние 10 лет он увеличился на 50%, за счет бурного роста городской инфраструктуры в США, Канаде, Японии, Китае и Южной Корее;

• Потребление нефти в сферах строительства и сельского хозяйства вырастет, если прирост мирового населения останется на том же уровне. К 2050 году эти отрасли будут потреблять на 46% больше нефти, чем сейчас: 28 млн баррелей в день;

• Другие эксперты отмечают влияние пандемии, которая привела к обвалу спроса на нефть, но в будущем все вернется к доковидным показателям — в основном, за счет развивающихся стран.

Крупнейшие мировые поставщики нефтепродуктов тоже пока не пришли к единому сценарию. К примеру, Exxon удваивает объем добычи, рассчитывая на устойчивый рост спроса на нефть и газ. В то же время BP, напротив, переходит на возобновляемые источники энергии.

Но все сходятся в том, что сейчас нефтяная отрасль переживает один из самых сложных периодов, начиная с 1960-х годов. При этом пик спроса на нефть уже пройден, а для газа он наступит в ближайшие 5 лет. Стратегия нефтяного рынка, безусловно, будет меняться. Но глобальный отказ от нефти мы увидим не раньше, чем через 20-30 лет, в том числе — из-за экологических факторов. К примеру, производство 1 кг литий-ионных аккумуляторов, на которых работают электрокары, приводит к выбросу 2,5 кг эквивалента CO2. При добыче 1 кг нефти этот показатель составляет 0,15 кг.

Артем Козинов добавляет, что углеводороды уникальны своей высокой энергоемкостью за счет особенных химических связей. Поэтому в ближайшие 80–100 лет нефть и газ гарантированно останутся главными источниками энергии.