Альтернативные топлива для автомобилей - Материалы

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 (алкан), имеет два изомера:

н-бутан (диэтил) CH3–CH2–CH2–CH3;

2-метилпропан (изобутан, триметилметан) CH(CH3)3

Пропа́нC3H8 –газ, представитель класса алканов. Химическое строение: CH3-CH2-CH3, при температуре 25 °C сжижается под давлением около 1 МПа.

Таблица 1 – Характеристика сжиженных нефтяных газов

Наименование показателя	Норма для марки
	СНГГОСТ 27578		GPLAUTO PETROM
	ПА	ПБА	Tip A	Tip B
1. Массовая доля компонентов, %:
сумма метана, этана	Не нормируется
пропан	85+10	50+10	35	65
сумма непредельных углеводородов, не более	6	6
Октановое число по моторному методу, минимум	95	90	89	89
2. Избыточное давление насыщенных паров 150 кПа, минимум при температуре, °С			Минус 10	Минус 5
3. Давление насыщенных паров, избыточное, МПа, при температуре
плюс 45(40) °С, не более		1,6	(1,55 )	(1,55)
минус 20 °С, не менее		0,07
минус 35 °С, не менее	0,07
4. Массовая доля серы и сернистых соединений, %, не более	0,01	0,01	0,01	0,01
в том числе сероводорода, не более	0,003	0,003	отрицательно	отрицательно

ПА – пропан автомобильный; ПБА – пропан-бутан автомобильный; GPL – gazpetrolier lichefiat

Марка газа ПБА допускается к применению во всех климатических районах при температуре окружающего воздуха не ниже минус 20°С.Марка ПА применяется в зимний период в тех климатических районах, где температура воздуха опускается ниже минус 20°С и рекомендуемый температурный интервал ее применения от минус 20°С до минус 35°С. В весенний период времени с целью полного израсходования запасов сжиженного газа марки ПА допускается ее применение при температуре до 10°С.

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.

В процессе наполнения баллона первые порции сжиженного газа быстро испаряются и заполняют весь его объем, создавая в нем определенное давление. При уменьшении давления газ мгновенно испаряется. Испарение сжиженного газа в баллоне продолжается до тех пор, пока образовавшиеся пары сжиженного газа не достигнут насыщения. Это свойство пропана и бутана позволяет хранить газ в небольших объемах, что очень важно. В качестве примера рассмотрим рис. 1. Давление насыщенного пара бутана составляет 0,1 МПа при 0 °С и 0,17 МПа при 15 °С, а давление насыщенного пара пропана при этих же температурах 0,59 и 0,9 МПа соответственно. Это различие приводит к значительной разнице в давлении смеси при изменении пропорции пропана и бутана. Давление растет при увеличении температуры, что приводит к большим изменениям объема сжиженного газа, находящегося в жидком состоянии. Следовательно, если сжиженный газ в жидком состоянии полностью заполняет баллон и температура продолжает увеличиваться, то давление будет быстро расти, что может привести к разрушению баллона.

Поэтому баллон не заполняется сжиженным газом полностью, оставляется паровая подушка, объем которой равен 10% от полной емкости баллона. Эти два газа (пропан и бутан) различаются между собой температурой кипения, при которой они переходят из жидкого в газообразное состояние.

Пропан перестает переходить в газ и остается в жидком состоянии при температуре -43 °С, для бутана эта температура равна 0° С.

Компримированный (сжатый) природный газ (КПГ). Основным компонентом данного газа является метан СН4. На борту автомобиля сжатый газ храниться в баллонах при давлении 20 мПа.

Характеристика компримированного газа для автомобилей в соответствии с межгосударственным стандартом СНГ

Наименование показателя	Значение	Метод испытания
1 Объемная теплота сгорания низшая, кДж/м3, не менее	31800	По ГОСТ 22667
2 Относительная плотность к воздуху	0,55–0,70	По ГОСТ 22667
3 Расчетное октановое число газа (по моторному методу), не менее	105	СН4 =110; С2Н6 =108 С3Н8 =108; С4Н10 =108
4 Концентрация сероводорода, г/м3, не более	0,02	По ГОСТ 22387.2
5 Концентрация меркаптановой серы, г/м3, не более	0,036	По ГОСТ 22387.2
6 Масса механических примесей в 1 м3, мг, не более	1,0	По ГОСТ 22387.4
7 Суммарная объемная доля негорючих компонентов, %, не более	7,0	По ГОСТ 23781
8 Объемная доля кислорода, %, не более	1,0	По ГОСТ 23781
9 Концентрация паров воды, мг/м3, не более	9,0	По ГОСТ 20060
Примечание – Значения показателей установлены при температуре 293 К (20°С) и давлении 0,1013 МПа.

Преимущества сжиженного и сжатого газа по сравнению с бензином:

1) более высокая детонационная стойкость;

2) меньшая цена;

3) более равномерное распределение по цилиндрам двигателя;

4) отсутствует разжижение картерного масла и смывание масляной пленки со стенок цилиндра и соответственно меньше износ деталей;

5) выше теплотворная способность;

6) меньше содержание СО и СН в отработавших газах

Недостатки сжиженного и сжатого газа по сравнению с бензином:

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

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

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

4) более пожароопасен;

5) 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);

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

Сжиженный природный газ (СПГ). Метан сжижается при температуре минус 162оС 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 температуре800-1000оС:

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 590оС, 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 NOX.

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 256оСи точкой сжижения – минус 253оС. 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. В цепочке питания последующие бактерии питаются продуктами жизнедеятельности предыдущих. Первый вид – бактерии гидролизные, второй – кислотообразующие, третий –метанообразующие. В производстве биогаза участвуют не только бактерии класса метаногенов, а все три вида.

Состав биогаза: 55–75% метана, 25–45% CO2, незначительные примеси H2 и H2S. После очистки биогаза от СО2 получается биометан СН4. Биометан – полный аналог природного газа, отличие только в происхождении.

Сырьё для получения: органические отходы: навоз, зерновая и меласная послеспиртовая барда, пивная дробина, свекольный жом, фекальные осадки, отходы рыбного и забойного цеха (кровь, жир, кишки, каныга), трава, бытовые отходы, отходы молокозаводов – лактоза, молочная сыворотка, отходы производства биодизеля – технический глицерин от производства биодизеля из рапса, отходы от производства соков – жом фруктовый, ягодный, виноградная выжимка, водоросли, отходы производства крахмала и патоки – мезга и сироп, отходы переработки картофеля, производства чипсов – очистки, шкурки, гнилые клубни.

Выход биогаза зависит от содержания сухого вещества и вида используемого сырья. Из тонны навоза крупного рогатого скота получается 30–50 м³ биогаза с содержанием метана 60%, 150–500 м3 биогаза из различных видов растений с содержанием метана до 70%. Максимальное количество биогаза – это 1300 м3 с содержанием метана до 87% – можно получить из жира. Кроме отходов биогаз можно производить из специально выращенных энергетических культур, например, из силосной кукурузы или сильфия. Выход газа может достигать до 500 м3 с тонны.

Производство: всего в мире в настоящее время используется или разрабатывается около 60-ти разновидностей технологий получения биогаза. Наиболее распространённый метод – анаэробное сбраживание в метатанках, или анаэробных колоннах (в русском языке термин не устоялся). Часть энергии, получаемой в результате сжигания биогаза

направляется на поддержание процесса (до 15–20% зимой). В странах с жарким климатом нет необходимости Автобус на биогазе – Берн, Швейцария подогревать метантанк. Бактерии перерабатывают биомассу в метан при температуре от 25°С до 70 °С. Для сбраживания некоторых видов сырья в чистом виде требуется особая двухстадийная технология. Например, птичий помет, спиртовая барда не перерабатываются в биогаз в обычном реакторе. Для переработки такого сырья необходим дополнительно реактор гидролиза. Такой реактор позволяет контролировать уровень кислотности, таким образом бактерии не погибают из-за повышения содержания кислот или щелочей.

Свалочный газ– одна из разновидностей биогаза. Получается на свалках из муниципальных бытовых отходов.

Для автомобилей биогаз используется так же как и природный газ. В 2006 году в Гетеборге построен самый большой завод по производству биогаза для автомобилей.

Проточная установка с горизонтальной стальной емкостью

1. Подвод навозной жижи

2. Навозная жижа

3. Миксер

4. Насос

5. Подвод свежей навозной жижи

6. Теплообменник

7. Трубочная мешалка

8. Забор газа

9. Подвод горячей воды

10. Отвод горячей воды

11. 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.