Характеристики альтернативних палив

До альтернативних палив відносяться палива, що не є продуктами переробки нафти. Простіше, альтернативними паливами є всі палива, застосовуванні для заправлення автомобілів, за винятком бензину й дизельного палива. Іноді модифіковані палива: бензин і дизельне паливо також називають альтернативними паливами. Група альтернативних палив представлена в табл. Таблиця 2 .1 – Група альтернативних паливТаблиця 2 .1

Таблиця 2.1 – Група альтернативних палив

Альтернативні джерела енергії
Природний газ (метан)	СН4
Пропан	C3Н8
Бутан	C4Н10
Метанол	СН3ОН
Етанол	C2Н5OН
Водень	H2
Діметіл-ефір	СН3ОCН3
Електрична енергія
Похідні нафти
Модифікований бензин
Модифіковане дизельне паливо

Чому альтернативні джерела енергії застосовуються у двигунах внутрішнього згоряння

Ресурси нафти на землі обмежені й це, мабуть, головне, що змушує шукати заміну нафтовим паливам, що використовуються у ДВЗ.

Досвід показав можливість застосування великої кількості замінників нафтового палива у ДВЗ. Будь-яке альтернативне паливо має свої переваги й недоліки, серед яких найважливішими є:

• виробничі витрати,

• доступність для споживача,

• вплив на навколишнє середовище,

• необхідність пристосування двигуна до процесу живлення новими видами палива,

• безпека використання,

• схвалення споживачем.

Наприклад, етанол дуже широко застосовується, як суміш за назвою „gasohol", що складається з 90% об'ємної частки бензину й 10% етанолу. Також етанол і природний газ добре прийняті споживачами. У свою чергу водень уважається найбільш «чистим паливом» і дотепер не є досить розповсюдженим, тому що відсутні застосовувані технічні рішення для його використання. Це, зокрема, стосується рішень по розміщенню водню на автомобілі. Невирішеним технічним завданням є також одержання водню в промислових масштабах при досить малих витратах. Ряд існуючих технологій одержання водню ґрунтується на використанні нафти як вихідної сировини. Ця ситуація позбавляє сенсу застосування водню як моторного палива; сенс з'явиться в тому випадку, якщо будуть знайдені економічні способи одержання водню з води або на основі використання поновлюваних джерел енергії. Електричний привод уважається одним із чистих джерел енергії, що використовуються на транспортних засобах, однак вартість електромобілів набагато вище, ніж вартість автомобілів, що заправляють звичайними паливами.

Варто мати також у виді, що при розгляді шкідливих викидів за весь цикл застосування водню, включаючи складову циклу з вироблення електроенергії, що використовується при електролізі води, привабливість застосування водню значною мірою втрачається. Тільки у випадку роботи електростанцій на природному газі, а не на вугіллі, привабливість водню в якості "чистого" палива виявляється беззаперечною. Треба при цьому також мати на увазі, що встановлені потужності ДВЗ на автомобілях на порядок перевершують потужності електричних станцій, що працюють на різних видах палива. Застосування модифікованих бензинів у значній мірі знижує рівень емісії токсичних компонентів газів, що відробили, і дає порівнянні ефекти з охорони навколишнього середовища в порівнянні зі стандартним бензином.

У порівнянні з бензином і дизельним паливом альтернативні палива мають три переваги, які представлені в табл. Таблиця 2 .2.

Таблиця 2.2 – Основні критерії оцінки альтернативних палив

№	Критерій	Визначення залежності
1.	Енергетична незалежність	Можливість виробництва із власних викопних ресурсів та сільськогосподарських продуктів
2.	Емісія - смог	Знижується емісія токсичних компонентів відпрацьованих газів
3.	Експлуатаційні витрати	Застосування деяких альтернативних палив забезпечує більше низькі експлуатаційні витрати автомобілів

Тому, по-перше:

• власна сировина для виробництва альтернативних видів палив робить державу енергетично незалежною від імпортної нафти й не залежною від політичних проблем (відсутність дипломатичних відносин, воєнний стан і т.п.). Природний метан можна одержати із природного газу або органічних матеріалів, таких як: вугілля, відходи сільського господарства, сміття й т.п. Етанол – із сільськогосподарських продуктів: картоплі, цукрового буряка, цукрового очерету.

Рослинні палива і їхні складні ефіри можна одержати з насіння сої, рапсу, соняшника, льону, плодів кокосової пальми.

Електричну енергію одержують після перетворення теплової енергії, отриманої в результаті згоряння вугілля, природного газу, нафтових продуктів. Електричну енергію роблять також на гідроелектростанціях, вітрових й атомних електростанціях.

Водень можна одержати з води в результаті її електролізу, а також з інших вуглеводів і біомаси.

По-друге:

• альтернативні палива знижують емісію шкідливих речовин, що потрапляють у атмосферу із продуктами згоряння. Це відноситься до всіх альтернативних палив.

На рис. Рисунок 2 .2 наведені молекулярні структури декількох палив. Слід зазначити, що молекули метану (із природного газу), пропан-бутану (LPG – liquified petroleum gas), метанолу й етанолу за своєю структурою більше прості в порівнянні з іншими, представленими на рисунку. Інші молекули є типовими супутнього бензину.

Більше проста структура, а також незначні розміри молекул сприяють більш "чистому згорянню" палива.

етанол пропан

водень метан

Рисунок 2.2 – Молекулярні структури різних палив [68]

При менш складній структурі й менших молекулах палива, під час згоряння в процесі розпаду, знижується кількість проміжних хімічних сполук, які можуть бути токсичними. Крім того, завдяки зниженню змісту вуглецю стосовно водню, у процесі згоряння альтернативних палив у меншій кількості в порівнянні з бензином утвориться окису вуглецю. Тому метан, пропан, бутан, метанол, етанол і водень під час згоряння менше ніж бензин і дизельне пальне забруднюють повітря [48, 51, 54, 55, 57, 58, 68, 70].

Під час виробництва електричної енергії на електростанції простіше керувати технологічним процесом (беручи до уваги оптимізацію токсичних компонентів відпрацьованих газів), чим в окремих двигунах автомобілів.

По-третє:

• в остаточному розрахунку істотними є витрати на експлуатацію двигунів транспортних засобів. Застосування природного й зрідженого газів знижує вартість експлуатації автомобілів. За виробничими витратами, у випадку масового виробництва, метанол може конкурувати з бензином [27, 28, 30, 31].

Метанол і водень на сьогоднішній день у порівнянні з іншими альтернативними паливами є занадто дорогими паливами, для їх широкого використання на транспортних засобах із ДВЗ. Однак прийняття відповідних законів і застосування певних економічних стимулів (державні дотації, звільнення від оподатковування й т.п.) ціни водню й спиртів можна значно знизити. Останнім часом вартість електромобілів не є конкурентною стосовно цін на автомобілі, що заправляють альтернативними джерелами енергії. Транспортні засоби з електричним приводом будуть більш конкурентні у випадку збільшення ефективності й енергоємності акумуляторів. Застосування альтернативних палив повинне в глобальному розрахунку, завдяки зниженню емісії токсичних компонентів відпрацьованих газів, забезпечити більше низьку вартість експлуатації автомобілів.

Таблиця 2.3 – Аналіз виробничих витрат при використанні альтернативних палив згідно SHELL AG й VEBA AG за станом на 1990 р. [2]

№	Паливо	Ціна на 1990 р. [ДМ]
1.	Бензин	0,27
2.	Дизельне паливо	0,21
3.	Природний газ	0,22
4.	Пропан	0,25
5.	Метанол	0,35
6.	Етанол	1,90
7.	EMKOR	2,20 (без дотації)
8.	Водень	22,66 (при використанні сонячної енергії для забезпечення розпаду води)

* використано порівняльну вартість виробництва енергії з альтернативних палив стосовно базової енергії, отриманої з 1 літра бензину.

У табл. Таблиця 2 .3 зіставлені виробничі витрати при використанні деяких альтернативних палив. Порівняльні характеристика фізико-хімічних показників палив наведені у табл. Таблиця 2 .4.

Із зазначених даних бачимо, що група палив: природний газ, пропан і метан – порівнянні за ціною зі стандартними паливами.

Залежно від політики, що проводиться державою стосовно альтернативних палив, їх ціни в різних країнах відрізняються друг від друга.

Таблиця 2.4 – Порівняльна характеристика фізико-хімічних показників палив

Показники	Оди- ниці вимі- рю- вання	Входять до складу ЗНГ				СПГ (ме­тан)	Бен­зин	Дизе­льне паль­не
		етан	про­пан	бутан	пен­тан
Хімічна формула	–	С2Н6	С3Н8	С4Н10	С5Н12	СН4	–	–
Молекулярна маса	кг/ кмоль	30,07	44,10	58,12	72,15	16,04	114,0	190,0
Температура займання при атмосферному тиску	°С	508- 605	504	475- 550	475- 510	650	470- 680	250
Температура кипіння при 760 мм рт. ст.	°С	–88,6	–42,1	–0,5	+36,1	–161,6	–	190-380
Октанове число (за моторним методом) / цитанове число*	–	125	120	93	64	105- 107	76-86	40-55*
Нижча теплоздатність (при 15 °С і 760 мм рт. ст.)	МДж/ кг	47,0	45,7	45,4	45,1	48,8	43,9	42,5
Необхідна для згоряння кількість повітря	кг/кг	16,05	15,7	15,35	15,3	17,2	14,5	14,35
Межі займання (по об'єму): нижній верхній	% –//–	3,2 12,5	2,4 9,5	1,9 8,5	1,4 8,0	5,3 14,0	1,5 6,0	0,6 7,5
Коефіцієнт надлишку повітря α, який відповідає нижній (αmax) і верхній (αmin) межам займання: αmax αmin	– –//–	1,82 0,42	1,70 0,40	1,67 0,35	1,84 0,30	1,88 0,65	1,18 0,29	1,5 0,50