Реферат: Виды топлива. Перспективы развития новых видов топлива
- водоросли содержат жиры, углеводы и протеин, в некоторых случаях – до 60% жиров, до 70% которых может быть "добыто" элементарной отжимкой.
- не удалось найти подходящих культур для культивации вне "садков".
Что ж, как говорится, дело за малым – научиться толком перерабатывать всю эту влажную биомассу в консистенцию, пригодную для залития в бак автомобиля.
Надо отметить, что в США проблемой получения недорогого биодизельного топлива для автомобилей занимаются десятки компаний и множество научных групп в самых разных университетах страны. Одной из таких компаний является Центр технологий создания биотоплива (Center for Biorefining), что при университете штата Миннесота (University of Minnesota). Группа учёных этого центра под руководством Роджера Руана (Roger Ruan) многие годы исследует возможности использования различных типов водорослей для получения недорогого биотоплива для автомобилей.
Основным достижением, полученным Роджером Руаном и его коллегами, называют технологию полного цикла получения биотоплива из водорослей, включая способы увеличения скорости прироста массы, эффективные методики "отжимки", а также эффективные пути утилизации отходов, остающихся после переработки биомассы.
Основной проблемой, сдерживающей быстрый прирост массы водорослей, считают слишком малую – всего лишь на несколько сантиметров, возможность проникновения солнечного света в толщу водно-растительной смеси, из-за чего эффективность использования крупных ёмкостей, да и в целом открытых водоёмов, оказывается очень низкой. В этом плане учёным из Миннесоты удалось разработать такой принцип работы «фотобиореактора», при котором обеспечивается оптимальный режим перемешивания света и питательных веществ для хорошего выхода продукции при работе даже с «дикими» культурами водорослей. Самое интересное, что все эксперименты по выращиванию водорослей Руан и его коллеги проводили на станции для очистки сточных вод. Благо, в фильтратах сточных вод предостаточно фосфатов и нитратов – веществ, крайне загрязняющих реки, но весьма полезных и питательных для водорослей. Видение будущего учёными из Миннесоты как раз включает этакие "водорослевые фермы", стоящие рядом с очистными сооружениями и потребляющими всё необходимое из стоков – в том числе, углекислоту, получаемую при сжигании осадка сточных вод.
Главная цель, которая стоит нынче перед исследователями – снижение себестоимости производства биотоплива. По словам представителей UOP LLC, подразделения Honeywell International по разработке биотоплива, результат можно будет считать удовлетворительным в случае достижения уровня ниже $2 за галлон, и, что показательно, сейчас множество специалистов не видят в этом ничего нереального. Впрочем, в Пентагоне вполне согласны, если авиационное топливо из водорослей будет стоить менее $5 за галлон, а в идеале - менее $3 за галлон.
Если пофантазировать всласть, можно представить себе "водорослевые фабрики" где угодно, благо, уж что-что, а отходы человечество научилось производить лучше всего, в неограниченных количествах. Более того, для такой фабрики совершенно не понадобится использования пахотных земель – как в случае с производством биотоплива из растений, и больше не случится подорожаний растительного масла и хлеба из-за растрат урожая на производство топлива.
Этанол
Использование спиртов в качестве топлива для автомобильных двигателей - давно не новость. Разработчики первых двигателей внутреннего сгорания уделяли спиртовым моторам не меньше внимания, чем бензиновым. Спирты имеют высокие октановые числа - более 100 единиц, но меньшую по сравнению с нефтяными топливами теплоту сгорания (при сгорании топлива выделяется меньше энергии, мощность падает, а расход топлива увеличивается).
Использование спиртов в качестве топлива для автомобильных двигателей - давно не новость. Разработчики первых двигателей внутреннего сгорания уделяли спиртовым моторам не меньше внимания, чем бензиновым. Спирты имеют высокие октановые числа - более 100 единиц, но меньшую по сравнению с нефтяными топливами теплоту сгорания (при сгорании топлива выделяется меньше энергии, мощность падает, а расход топлива увеличивается).
Начало крупномасштабной добычи нефти сделало применение спирта в качестве моторного топлива невыгодным. Спиртовые топлива стали нишевым продуктом: например, на метиловом спирте работают двигатели мотоциклов для спидвея и многих спортивных картов. Спиртовое автомобильное горючее пользуется определённой популярностью в Бразилии, где нет больших запасов нефти, но зато есть идеальные условия для выращивания сахарного тростника и производства из него дешевого спирта.
Помимо этанола и метанола, в качестве моторных топлив предлагается использовать и другие спирты. Компании BP и Du Pont делают ставку на бутанол.
Наибольшее внимание сейчас уделяется именно этиловому спирту. В лентах научно-технических и экономических новостей сообщения о планах по строительству новых заводов появляются чуть ли не каждый день. В США сахарный тростник не растет, поэтому главным источником биоэтанола должна стать кукуруза. "Царицей полей" дело, впрочем, не ограничивается: в ход планируется пустить все - от картофеля и пшеницы до различных органических отходов. Ряд стран планируют наладить экспорт биоэтанола в США и другие государства, заинтересованные в переходе на спиртовое горючее. Бразилия планирует к 2025 г. заменить тростниковым спиртом до 10% потребляемого в мире бензина.
Бензиновые двигатели, в общем случае, не годятся для использования спиртового топлива, хотя конструктивные изменения для перевода их на спирт минимальны. Часто удается ограничиться использованием стойких к спиртам материалов и установкой элементов для отделения водяного конденсата. В настоящее время многие ведущие автопроизводители выпускают универсальные двигатели, способные работать на бензине, спирте или их смесях. При использовании смесей бензина с небольшим количеством спирта (до 10%) топливо, как правило, подходит и для обычных бензиновых двигателей.
Именно смесевыми топливами сейчас наиболее увлечены в мире. Смеси бензина с этанолом обычно обозначают буквой E (от слова этанол) и числом, показывающим содержание спирта в процентах. Наиболее распространено топливо E10 или газохол, содержащее 10% этанола. Оно широко используется в Дании, Таиланде и других странах. В США топливо E10 набирает популярность из-за вступивших в силу ограничений на применение в бензине эфиров.
Карта работающих (темные точки) и строящихся (светлые точки) заводов по производству этанола в США.
Именно смесевыми топливами сейчас наиболее увлечены в мире. Смеси бензина с этанолом обычно обозначают буквой E (от слова этанол) и числом, показывающим содержание спирта в процентах. Наиболее распространено топливо E10 или газохол, содержащее 10% этанола. Оно широко используется в Дании, Таиланде и других странах. В США топливо E10 набирает популярность из-за вступивших в силу ограничений на применение в бензине эфиров.
Вместе с тем, наибольший интерес сейчас проявляют к смесям с высоким содержанием этанола. Чаще всего говорят о топливе E85, которое представляет собой смесь спирта (85%) и бензина (15%). При этом на деле содержание этанола меньше 85%, так как для приготовления смесей используется 93 – 96% спирт, к тому же денатурированный. Топливо E85 достаточно активно используется в Швеции, быстрыми темпами растет его популярность и в США.
Нужно отметить, что синтетический этанол, получаемый из нефти, в качестве топлива обладает точно такими же свойствами, как и полученный из растительного сырья, но не обеспечивает нейтральности в плане выбросов углекислоты.
Биодизель
Идея использовать растительные масла в качестве топлив для дизельных двигателей была выдвинута еще при создании первых таких моторов. Однако с освоением нефтяных запасов в XX веке более выгодным оказалось топливо из нефти. Сейчас биодизельное топливо часто отождествляют с рапсовым маслом, которое действительно стало основным сырьевым источником "биосоляры" в Европе. Однако биодизельное топливо можно получать и из других масел, например, подсолнечного, пальмового или соевого, что и делают за пределами Европы.
Важно иметь в виду, что сами по себе растительные масла в качестве топлив не используются. Любая "биосоляра" представляет собой смесь продуктов переэтерификации растительных масел. В растительном содержатся жиры - эфиры жирных кислот с глицерином. В процессе получения "биосоляры" эфиры глицерина разрушают и заменяют глицерин (он выделяется как побочный продукт) на более простые спирты - метанол и, реже, этанол. В Европе основным биодизельным топливом стал метиловый эфир рапсового масла.
Растительные масла и их эфиры, как и спирты, отличаются агрессивностью ко многим материалам, традиционно используемым в двигателях и топливной системе автомобилей. В последние годы большинство европейских производителей выпускают машины, допускающие использование смесей нефтяного топлива с "биосолярой" в количестве 5-20%, а иногда и 100% биотоплива. Добавление биодизельного компонента в количестве до 5% обычно считается приемлемым для любых двигателей, неадаптированных к биотопливу. Достаточно активно биодизельное топливо внедряется и в США, где в качестве сырья используют чаще всего соевое масло. Еще один перспективный источник "биосоляры" - отработанные пищевые масла.
Россия
В России биотоплива для двигателей внутреннего сгорания остаются экзотикой. Этому способствует как наличие значительных запасов нефти и газа, так и объективные трудности, связанные с получением и использованием топлив из природного сырья.
Россия - это не Европа, не США и, тем более, не Бразилия. Тут более суровый климат, и получать дешевый спирт или масло, снимая по нескольку урожаев в год, не выйдет. Климат заметно ограничивает и применимость биотоплив. Например, биодизельные топлива на основе рапсового масла застывают при температурах около -15°С, а в ряде случаев и выше. Это ограничивает применимость биодизеля южными регионами страны или летним временем года. Проблема застывания существует и для нефтяного дизельного топлива, но она успешно решается технологическими методами (депарафинизация, облегчение фракционного состава) или добавлением депрессорных присадок, эффективно снижающих температуру застывания. Для растительных топлив такие присадки еще только разрабатываются. Другая проблема - поглощение влаги из атмосферы, при низких температурах грозящее расслоением топлива, коррозией и образованием льда.
Спирт и его смеси с бензином не замерзают, однако еще больше склонны к поглощению влаги. На определенном этапе это может привести к расслоению топливной смеси, что недопустимо. Ситуация усугубляется тем, что даже если сразу расслоения не произойдет, резкие перепады температуры могут привести к появлению в топливной системе водяного конденсата. При низких температурах он замерзает и приводит к забивке топливопроводов, фильтров и др. Влага также способствует появлению коррозии. Таким образом, для районов с резко континентальным климатом спирто-бензиновые смеси могут оказаться непригодными.