Автомобильные бензины с биоэтанолом | Наука и жизнь

В очередной публикации конкурсных работ, отмеченных Благотворительным фондом В. Потанина (предыдущие см. «наука и жизнь» №№ 2, 3, 2008 г.), речь идёт об актуальной задаче сегодняшнего дня — повышении экологической безопасности автомобильного транспорта.

Биоэтанол получают из самого разного сырья — от зерна и картофеля до стеблей кукурузы и древесины.

Кроме дизельного топлива на «био-АЗС» автомобиль можно заправить смесью бензина с этанолом Е10 или альтернативным топливом Е85.

Топливным биоэтанолом Е85 заправляют уже и дорогие автомобили.

‹

›

Открыть в полном размере

БЕНЗИН И ЭТАНОЛ

Передовые технологии позволили создать альтернативные виды автомобильного топлива, которые возобновляемы, полностью сгорают и более надёжны, чем традиционный бензин. Это прежде всего биоэтанол — этиловый спирт (С₂Н₅ОН). Его получают путём брожения практически любого вещества, содержащего крахмал или сахар, — зерна, картофеля, сахарного тростника, топинамбура, других сельскохозяйственных растений, отходов производства пищевых продуктов и напитков. Исследования выявили возможность производить биоэтанол также из целлюлозы, которая содержится в древесине, в стеблях кукурузы, рисовой шелухе и просе. Производство биоэтанола способно в значительной степени стимулировать сельскохозяйственное производство, экономику и улучшить состояние окружающей среды.

Сегодня многие фермеры в западных странах инвестируют средства в строительство предприятий по производству этилового спирта, повышают цены на зерно, участвуют в распределении прибыли. Применение этанола весьма выгодно ещё в одном отношении: сжигание спирта позволяет получить на 34 процента больше электроэнергии, чем было затрачено на его изготовление. Из кубометра переработанного зерна получается 270—290 л чистого (абсолютизированного) этанола наряду с некоторыми ценными побочными продуктами.

В большинстве случаев применяют не чистый биоэтанол, а в смеси с бензином для повышения его октанового числа и снижения токсичности отработанных газов. Существуют два основных способа использования биоэтанола в качестве компонента автомобильного топлива.

1. В виде смеси 10 объёмных процентов этанола с 90 процентами неэтилированного бензина. В США она получила название «газохол» или неэтилированное топливо ЕЮ и широко применяется при эксплуатации автомобиля в течение всего гарантийного срока. Топливо ЕЮ можно использовать и в двигателях малого объёма: в газонокосилках, лодочных моторах, бензопилах, машинках для стрижки газонов и тому подобных устройствах. В результате применения ЕЮ снижается на 6 процентов потребление нефтепродуктов; на 1 — выброс парниковых газов; на 3 — использование ископаемого топлива.

Однако, хотя топливо Е10 и позволяет уменьшить выброс загрязняющих веществ в окружающую среду, как альтернативное топливо его не рассматривают.

2. В качестве основного компонента топлива — смеси 85 процентов этанола с 15 процентами неэтилированного бензина, которую в США выпускают под маркой E85.

Автомобильные компании быстро увеличивают количество транспортных средств, работающих на Е85 — flexible-fuel vehicles (FFV), то есть «автомобили с универсальным потреблением топлива» (АУПТ). Автоматизированные системы подачи топлива позволяют регулировать объёмы смешиваемых продуктов, так что можно сначала заправиться топливом ЕЮ, а в следующий раз без проблем использовать E85 или традиционный бензин. Топливо E85, а также высококонцентрированные смеси E95 (95 процентов этанола и 5 бензина) считаются альтернативными топливами. Этанол, добавленный в бензин, способствует его полному сгоранию.

В результате использования E85 и Е95 уменьшается потребление нефтепродуктов на 73—75 и 85—88 процентов соответственно, на 14—19 и 19—25 — выброс парниковых газов; на 34—35 и 42—44 процента — использование ископаемого топлива.

Первый бензин с примесью биоэтанола ЕЮ появился на рынке в 1970-х годах, а смесь E-85 — в середине 1990-х годов.

ВЫХЛОПНЫЕ ГАЗЫ АВТОМОБИЛЕЙ И ЗДОРОВЬЕ ЧЕЛОВЕКА

Использование автомобильного топлива с полным сгоранием типа биоэтанола и его смесей — один из путей улучшения экологической обстановки: воздух больших городов загрязняют в основном транспортные выхлопы. В продуктах сгорания бензина содержится множество опасных и вредных для здоровья веществ.

Углеводороды (СН). Нефть и бензин — это смесь более 250 различных углеводородов. Многие из них токсичны, некоторые канцерогенны (вызывают раковые заболевания). Углеводороды попадают в атмосферу при переливе топлива из цистерн и ёмкостей, заправке топливных баков, при неполном сгорании топлива, смешиваясь с выхлопными газами. Транспортные средства выделяют до 50 процентов от общих выбросов углеводородов в атмосферу. А при сгорании биоэтанола (спирта) выброса углеводородов не происходит: C

2H₅OH + 3O₂ = 2C0₂ ↑+ 3H₂O. Углекислый газ CO₂ поглощается растениями. В отличие от сжигания ископаемого топлива, где расходуется накапливаемый в течение миллионов лет углерод, использование этанола замыкает углеродный цикл.

Озон (O₃, фотохимический смог) образуется в воздухе при взаимодействии углеводородов с оксидами азота на солнечном свету. В безветренную погоду жарким летом смог создаёт коричневатую дымку в нижних слоях атмосферы. Это опасно: высокий уровень околоземного озона вызывает у людей респираторную недостаточность, вреден для растительности, но не задерживает вредный солнечный ультрафиолет, поскольку его плотность всё-таки ниже, чем в озоновом слое Земли. Отмечена также связь озонового загрязнения с увеличением количества респираторных заболеваний. Но исследования, проведённые в США, показали, что сгорание смесей бензина с биоэтанолом и чистого бензина даёт примерно одинаковое количество озона. Это связано с высокой летучестью смеси, испаряющейся при более низких температурах.

Альдегиды (R-COH, где R или H, тогда это формальдегид, HCOH, наиболее ядовитое и опасное вещество, или C_nH_2n+1, где n = 1, 2, 3; более тяжёлые альдегиды в двигателе практически не образуются) — продукты сгорания этаноловых смесей, концентрация которых немного выше, чем при использовании чистого бензина, но всё равно невелика и, кроме того, уменьшается благодаря применению трёхканальных каталитических конвертеров, стоящих на современных автомобилях. Королевское общество Канады назвало вероятность их негативного воздействия на здоровье человека «отдалённой».

Монооксид углерода (СО, угарный газ) — ядовитый газ. Он образуется при неполном сгорании нефтяных топлив, не содержащих в молекулярной структуре кислород. Его выделяется особенно много, когда в двигатель подают избыточное количество топлива, чтобы, например, завести его на холоде. Поэтому автомобили, работающие при низких температурах (а также при торможении в пробках и дальнейшем движении транспортного потока в зимнее время года), выделяют значительные количества монооксида углерода.

По оценке Министерства энергетики США, 82 процента угарного газа, 43 процента химически активных органических газов (предвестники образования озона) и 57 процентов оксидов азота в городах выделяются именно из транспортного топлива на нефтяной основе. При добавлении биоэтанола, содержащего кислород, топливо сгорает более полно и содержание СО уменьшается примерно на треть.

Диоксид углерода (СО₂) — углекислый газ, продукт сгорания любого топлива; он нетоксичен, но способствует возникновению парникового эффекта и глобальному потеплению. Применение биоэтанола не приводит к существенному повышению содержания углекислого газа в атмосфере.

Оксиды азота (NO_x) образуются при высоких температурах. Они оказывают влияние на образование околоземного озона (фотохимический смог). Добавка биоэтанола в бензин понижает температуру сгорания топливовоздушной смеси в цилиндрах двигателя, в результате чего сокращаются выбросы оксидов азота, а также некоторых нежелательных компонентов бензина.

Ряд исследований показывают, что применение топливных смесей с этанолом может незначительно увеличить выбросы оксидов азота при эксплуатации автомобилей в экстремальных условиях.

ДРУГИЕ БИОДОБАВКИ К БЕНЗИНУ

Метанол, метиловый, или древесный, спирт (CH₃OH), вырабатывают из природного газа или угля. Это очень ядовитое и высококоррозийное вещество, более летучее, чем этанол; оно сильнее разрушает пластмассовые и резиновые детали системы подачи топлива.

Этил-трет-бутиловый (ЭТБЭ, (CH₃)₃COCH₃) и метил-трет-бутиловый (МТБЭ, (CH₃)₃COC₂H₅) эфиры — высокооктановые низколетучие компоненты кислородсодержащего топлива; их можно получить при взаимодействии соответственно этанола или метанола с изобутиленом CH

2:C(CH₃)₂. Разрешено добавлять в неэтилированный бензин: МТБЭ — в количестве, не превышающем 15 процентов, ЭТБЭ — до 17 процентов.

Многие автомобильные компании не распространяют гарантийные обязательства на автомобили при использовании топлив на основе метанола из-за вредного воздействия на материалы, но одобряют применение этанола. Одновременно во всём мире (в США с 2006 года) вводят ограничения на потребление MTБЭ по причине загрязнения им водных ресурсов при разливе и утечке. Попутно исследовали поведение в природе других видов добавок к бензину, включая этанол в высоких концентрациях. Так как этанол полностью растворяется в воде, его в больших количествах можно обнаружить в грунтовых водах, где он становится основным растворимым загрязнителем. Сорбция, испарение и абиотическое разложение его концентрацию снижают слабо. Поэтому поведение и передвижение этанола и остальных бензиновых оксигенатов в подземных водоносных слоях обусловлено прежде всего их биологическим разложением.

Чем сильнее разветвлена молекулярная цепь вещества, тем медленнее оно разлагается. Разветвлённые кислородсодержащие органические соединения, включая MTБЭ, долго хранятся и накапливаются в среде. А молекула этанола проста, микроорганизмы расщепляют её быстро. Участвующие в метаболизме этанола микробы распространены повсюду и активно потребляют этанол как в аэробных, так и в анаэробных условиях.

Топливный биоэтанол относительно дорог, но у него большое будущее, поскольку он экологически чист, а при государственной поддержке сможет конкурировать по стоимости с бензином. Автомобильное топливо с биоэтанолом всё увереннее занимает лидирующие позиции во всём мире.

Литература

Капустин В. М., Глаголева О. Ф. и др. Технология переработки нефти. ч. I.—М.: Колосс, 2005.

Sedlacek D. Ethanol, a Renewable Fuel // Renewable Fuels Association, 2002.

Wang M., Saricks C. and Santini D. Effects of Fuel Ethanol Use on Fuel-Cycle Energy and Greenhouse Gas Emissions // ANL/ESD-38. Center for Transportation Research, Energy Systems Division, Argonne National Laboratory, January 1999.

Ambient Ozone Exposure and Emergency Hospital Admissions for Respiratory Problems in 13 U. S. Cities // Harvard University, School of Public Health, for the American Lung Association, June 1996.

Low-Level Ethanol Fuel Blends// DOE/GO-102005-2028, April 2005.

Urbanchuk J. M. Relief: Impact of an Ethanol Mandate on Retail Level Gasoline Prices in Ontario. July 12, 2004.

A Comparison of California Reformulated Gasoline to Federal Reformulated Gasoline// Downstream Alternatives Inc., Informational Document № 970401, April 1997, 4 p.

Приложения: Последние новости России и мира – Коммерсантъ Business Guide (49594)

По данным организации Worldwatch Institute, в 2007 году в развитие возобновляемой энергетики была инвестирована рекордная сумма — $100 млрд. Однако, несмотря на появление инновационных технологий, позволяющих производить энергию даже из водорослей, доля альтернативных источников в общем объеме мировой энергетики в 2007 году не превысила 5%. Сегодня эксперты единодушны в том, что реальная альтернатива нефти и газу пока не найдена. Хотя исследования в этой области заметно прогрессируют.

В 1960-е годы основой энергетики многих стран, в том числе экономически наиболее развитых, являлась нефть. В большинстве случаев это была достаточно дешевая ближневосточная нефть (с 1920 по 1970 год номинальная цена на нефть колебалась в районе $5 за баррель). Все изменилось в 1973 году, когда ОАПЕК (Организация арабских стран-экспортеров нефти) установила эмбарго на поставки нефти в США и большинство стран Западной Европы, поддержавших Израиль в военном конфликте с Сирией и Египтом. Нефтяной кризис выявил опасность зависимости экономики многих государств от импортируемой нефти. Многие развитые страны пришли к выводу о необходимости разработать новую энергетическую стратегию, основанную на диверсификации источников энергии, энергосбережении и применении альтернативных источников энергии.

Одним из ключевых пунктов этих стратегий стало постепенное переориентирование транспортной отрасли, которая зависит от углеводородного топлива на 95% — это самый высокий показатель в мировой экономике. Сегодня примерно половина добываемой нефти перерабатывается в моторное топливо, причем на автомобили приходится примерно 75% общего объема потребности транспорта в топливе, а оставшиеся 25% в равной пропорции — на авиацию и водный транспорт.

Крупнейшие мировые нефтегазовые компании при поддержке правительств развитых стран сосредоточились на двух основных направлениях в альтернативной энергетике. Первое связано с инновационной разработкой традиционного топлива — извлечением нефти из битуминозных песков, использованием в качестве топлива природного газа, синтезом топлива из угля и пр. Второе — это получение топлива из биомассы. Главный недостаток первого направления в том, что минеральное топливо невозобновляемо, а недостаток второго — сравнительно низкая рентабельность.

Трудные углеводороды

Разработка месторождений битуминозной нефти — реальная альтернатива добыче обычной нефти, учитывая сокращение ее запасов. Более того, если доказанные мировые запасы последней составили на конец 2007 года около 1,24 трлн баррелей (данные ежегодного обзора British Petroleum), то только в битуминозных песках крупнейшего в мире месторождения Альберта (Канада) содержится 1,6 трлн баррелей. Однако крайняя сложность и дороговизна добычи пока не позволяют удовлетворить мировые потребности в нефти. Аналогичная ситуация складывается и с добычей нефти из битуминозных сланцев, содержание нефти в которых оценивается в 2,8-3,3 трлн баррелей. По оценке американской корпорации RAND, производство нефти из сланцев в США станет рентабельным при цене $70-95 за баррель. Хотя этот порог был преодолен еще в 2007 году, добыча не приобретает промышленных масштабов, поскольку производство крайне неэкологично.

В качестве альтернативы жидкому топливу рассматривают газ. Газовое топливо дешевле бензина и экологически чище (при выхлопе выделяется почти в два раза меньше угарного газа), двигатель на таком топливе работает дольше. Газ не разжижает моторное масло, не образует нагара, имеет более высокое октановое число — 100 и выше в зависимости от состава.

Из применяемых сегодня газовых видов моторного топлива выделяют компримированный природный газ (КПГ), сжатый до максимального давления 20 МПа, и сжиженный природный газ (СПГ). Однако сдерживающим фактором для использования КПГ является его низкая теплотворная способность (примерно в пять раз ниже, чем у обычного жидкого моторного топлива), а также значительный вес баллонов для его хранения. Кроме того, у газа меньшая теплота сгорания, поэтому при работе на нем мощность двигателя меньше примерно на 5%. Хранение СПГ также требует соблюдения дополнительных условий, например использования криогенных емкостей (температура кипения метана — минус 162°С). Использование оксигенатов, КПГ, СПГ и СНГ (сжиженного нефтяного газа) требует переоборудования двигателей и создания новой заправочной сети. Кроме того, газовое топливо не позволяет заводить двигатель при температуре минус 10°С и ниже.

Угольные технологии

Альтернативой топливу, вырабатываемому из нефти, может быть синтетический бензин или дизельное топливо, полученные из угля. Впервые синтез метана из окиси углерода (СО) и водорода (h3) был осуществлен французским химиком Полем Сабатье в конце XIX века. В 1902 году он получил смесь углеводородов, напоминающую по составу и внешнему виду нефть Бакинского нефтегазоносного района, а впоследствии научился варьировать состав синтетической нефти. В 1913 году немецкий химик Фридрих Бергиус разработал метод получения жидкого моторного топлива через насыщение водородом смеси, состоящей из измельченного угля и смоляных отходов от производства кокса и генераторного газа. Синтез проходил под высоким давлением и при температуре порядка 500°С. Практическое применение способ нашел после того, как патент на использование метода Бергиуса приобрел крупнейший в то время немецкий концерн IG Farbenindustrie.

В 1926 году немецкие ученые Франц Фишер и Ганс Тропш открыли реакцию восстановления окиси углерода при атмосферном давлении. Оказалось, что в присутствии катализаторов и в зависимости от соотношения h3 и CO можно синтезировать жидкие и даже твердые углеводороды, близкие по химическому составу к продуктам фракционирования нефти. Смесь окиси углерода и водорода, получившую название синтез-газ, они извлекали из природного сырья путем пропускания водяного пара над углем (газификация угля) или через конверсию водяным паром природного газа, состоящего в основном из метана, в присутствии металлических катализаторов. Сырьем для производства служил уголь. Впоследствии в Германии на основе технологии Фишера-Тропша было налажено производство синтетического бензина, дизельного топлива и твердого парафина. К 1945 году в мире насчитывалось 15 заводов, действующих по этой технологии (в основном в Германии, а также в США, Китае, Японии), общей мощностью около 1 млн т условного топлива в год.

После второй мировой войны идея синтеза топлива была также реализована в ЮАР и России. В 1952 году такое топливо начали производить в Новочеркасске (Ростовская область) на немецком трофейном оборудовании, причем в качестве сырья использовался сначала уголь Донецкого бассейна, а затем природный газ. Производство было остановлено в 1990-е годы по экономическим причинам. Южноафриканская компания Sasol построила собственное производство в 1955 году. Благодаря этому во время экономической блокады из-за апартеида ЮАР смогла полностью обеспечить себя синтетическими нефтепродуктами из каменного угля.

Синтетическое топливо

Одним из наиболее перспективных видов альтернативного топлива является синтетическое жидкое топливо (СЖТ), получаемое из природного газа или других газообразных углеводородов. Сегодня разработки в этой области ведут практически все крупнейшие нефтяные компании — Shell, ExxonMobil, British Petroleum и др. Процесс, получивший название «газожидкостная конверсия» (ГЖК; от англ. gas to liquids, или GTL), предполагает превращение богатых метаном газов в жидкость. Как правило, конверсия осуществляется через промежуточное производство синтез-газа. СЖТ сгорает чище, чем обычное топливо,— в нем фактически отсутствует сера, оно не имеет цвета и запаха, в выхлопе содержится меньше твердых частиц и оксида азота, вызывающего смог.

В газожидкостной конверсии используются как технология Фишера-Тропша, так и более новые разработки компаний. Так, компания Mobil применяет собственную технологию MTG (methanol to gasoline), представляющую собой конверсию метанола в бензин в присутствии цеолита ZSM-5. В Новой Зеландии по этой технологии построен завод мощностью 0,75 млн т в год, на котором, правда, производятся только бензиновые фракции. Однако продукты MTG содержат часть ароматических углеводородов, что по экологическим соображениям неприемлемо для современного моторного топлива.

Концерн Shell разработал метод синтеза средних дистиллятов, или SMDS (Shell middle distillate synthesis), который способствует выделению из синтез-газа тяжелых предельных углеводородов. Пройдя стадию гидрокрекинга, они становятся моторным топливом. По этой технологии в 1993 году Shell запустил завод в Малайзии мощностью 14,7 тыс. баррелей в сутки. В настоящее время компания совместно с Qatar Petroleum строит аналогичный завод Pearl GTL в Катаре. Планируется, что газ будет поступать по двум трубопроводам из скважин, находящихся в море в 60 км от берега. Из газа будут извлекать около 120 тыс. баррелей конденсата, сжиженного нефтяного газа и этана в сутки. Оставшийся после этого богатый метаном газ будет в несколько этапов преобразован в ряд продуктов при помощи ГЖК.

СЖТ уже находит коммерческое применение. 22 ноября 2007 года в плавание отправился первый паром, работающий на синтетическом топливе,— Dokter Wagemaker, принадлежащий голландской компании Royal TESO. 1 февраля 2008 года Airbus А380 стал первым коммерческим авиалайнером, полетевшим на топливе, полученном методом газожидкостной конверсии. В Европе и некоторых районах Азии СЖТ продается в смеси с дизельным топливом V-Power концерна Shell.

Впрочем, технология ГЖК, по мнению ряда экспертов, может рассматриваться как перспективная до наступления XXII века — ожидается, что именно к этому времени истощатся запасы природного газа.

Перспективная биомасса

Возобновляемой альтернативой традиционному моторному топливу является биотопливо. Сырьем для биотоплива служит биомасса — все органические вещества растительного и животного происхождения. Биомасса — это шестой по запасам из доступных на сегодня источников энергии после горючих сланцев, урана, угля, нефти и природного газа и пятый по производительности возобновляемый источник энергии после прямой солнечной, ветровой, гидро- и геотермальной энергии. По оценкам Worldwatch Institute, в 2007 году в мире было произведено 54 млрд л биотоплива, что составляет около 1,5% мирового потребления жидкого топлива.

Биотопливо, как и традиционное минеральное топливо, делится на газообразное (биогаз, биобутанол), жидкое (биоэтанол, биометанол, биодизель) и твердое (древесные пеллеты).

Биогаз представляет собой смесь из 55-75% метана, 25-45% углекислого газа и незначительных примесей водорода и сернистого газа. После очистки биогаза от СО2 получается биометан — полный аналог природного газа. Тем не менее производство биогаза пока не нашло промышленного применения. Больше всего в мире малых биогазовых установок находится в Китае — более 18 млн (производят порядка 11 млн т условного топлива в год). Среди европейских промышленно развитых стран ведущее место в производстве и использовании биогаза по относительным показателям принадлежит Дании (доля в энергобалансе страны — 18%).

С экологической точки зрения наиболее перспективным газообразным топливом для автомобилей является водород. Это наиболее теплотворное топливо: из 1 кг водорода может быть получено в три раза больше энергии, чем из 1 кг бензина. Технически идея использования водорода в качестве топлива выглядит просто. Энергия выделяется в результате обмена электронами между молекулами водорода и кислорода, а в качестве побочного продукта образуется вода. Но производство водорода, по количеству энергии эквивалентного литру бензина, обходится в несколько раз дороже. Другая проблема — хранение. Поскольку водород — самый легкий элемент на земле, то, даже если его довести до жидкого состояния, объем бака с водородом будет в четыре раза больше, чем с бензином. Среди других недостатков — взрывоопасность, дорогая заправочная инфраструктура и пр. Для рядовых потребителей водородное топливо пока малодоступно. В 2006 году средняя стоимость автомобиля, оснащенного топливными ячейками на водороде, составляла порядка $100 тыс. Пока человечество не придумало технологий, которые позволили бы водородному топливу полноценно конкурировать с бензином или дизелем.

Прогрессивный спирт

В опубликованном в мае 2008 года компанией British Petroleum ежегодном обзоре мировой энергетической отрасли были приведены такие данные: по подсчетам экспертов компании, если убрать этанол из структуры мирового предложения энергоносителей, то нефтеперерабатывающим компаниям будет не хватать порядка 1,9 млн баррелей в день, а цены на нефть вырастут на 27,5%. Мировое производство этанола достигло 400 млн баррелей в 2007 году и, по прогнозам, составит 485 млн баррелей в этом году. В США рост производства составил 33%, в Бразилии — 27%, в Европе — 7%, а всего за последние пять лет объем производства этанола вырос в два раз.

Биоэтанол — жидкое спиртовое топливо, вырабатываемое из сельскохозяйственной продукции, в основном из культур с высоким содержанием сахара и крахмала, например кукурузы, зерновых или сахарного тростника. Топливный этанол не содержит воды и производится укороченной дистилляцией (две ректификационные колонны, а не пять, как для спирта, применяемого в пищевой промышленности). Биоэтанол нейтрален с точки зрения выброса парниковых газов. Содержащийся в этаноле кислород позволяет более полно сжигать углеводороды топлива. Присутствие в бензине всего 10% этанола позволяет уменьшить выхлопы аэрозольных частиц до 50%, а выбросы угарного газа — на 30%. В 2006 году применение этанола в США позволило сократить выбросы примерно на 8 млн т парниковых газов (в СО2-эквиваленте), что приблизительно равно годовым выхлопам 1,21 млн автомобилей.

Топливо, содержащее этанол, обозначается буквой Е (от английского ethanol). Топливо Е85 — это смесь из 85% этанола и 15% бензина на единицу объема топлива. Пробег машин на таком топливе несколько ниже — примерно 75% от пробега машин на традиционном топливе. Обычные автомобили не могут работать на Е85, однако ездят на Е10 (10% этанола). Так называемые машины с двигателем гибкого выбора топлива (flexible-fuel vehicle, или FFV) могут ездить как на бензине, так и на смеси бензина с этанолом в разных пропорциях (от 5 до 95%). Автомобиль имеет один топливный бак, адаптация к разному составу топлива достигается за счет особой конструкции двигателя. В Бразилии на конец 2006 года насчитывалось порядка 6,4 млн FFV, а в США — 6 млн. Наиболее распространены смеси с низким содержанием этанола Е5, Е7, Е10 (соответственно 5, 7 и 10% этанола в смеси). В этих случаях добавка этанола экономит топливо за счет его замещения и также позволяет обойтись без вредной добавки МТБЭ (метил-трет-бутиловый эфир, который повышает октановое число бензина).

По данным Международного энергетического агентства, за последние четверть века производство этанола в мире выросло с 4,4 млн л в 1980 году до 36,3 млн л в 2005 году. Из них 45% пришлось на Бразилию и 44,7% — на США. В Бразилии этанол производится преимущественно из сахарного тростника, а в США — из кукурузы. В 2005 году в Бразилии производство этанола достигло 16,6 млрд л, сегодня он занимает около 20% общего объема топливного рынка страны. При этом себестоимость производства этанола в Бразилии составляет всего $0,19 за литр (в США — $0,33, в ЕС — $0,55).

США поддерживают производство биоэтанола на государственном уровне. В 2005 году конгресс принял Энергетический билль и Стандарт возобновляемых видов топлива, предусматривающие ежегодный рост производства этанола к 2012 году — до 30 млрд л из зерновых и 3,8 млрд л из целлюлозы. Правительство США предоставляет производителям этанола налоговый кредит до $0,51 за галлон. В конце 2007 года президент США подписал закон об энергетической независимости и безопасности, который предусматривает производство 36 млрд галлонов возобновляемого топлива в год к 2022 году. Согласно данным Ассоциации возобновляемого топлива США, промышленность страны способна увеличить производство этанола на 8,5 млрд галлонов в год.

Растительный дизель

По данным Национального биодизельного совета США, биодизельное топливо на 5% более экономично и на 5% более энергоемко, чем обычное дизельное. Биодизель имеет цетановое число не менее 51 (обычное — 42-45), температуру вспышки более 150°C. Кроме того, это экологически чистый вид энергии: при попадании в воду не причиняет вреда растениям и животным и подвергается почти полному биологическому распаду за 28 дней. Главный недостаток такого топлива — ограниченный срок хранения после изготовления (три месяца). Кроме того, в холодное время года необходимо подогревать топливо, идущее из топливного бака в топливный насос.

Биодизельное топливо вырабатывается из растительных (в основном из сои, рапса, горчицы, масличной пальмы), животных масел и даже пищевых отходов (растительного масла, отработанного предприятиями пищевой промышленности). Минеральное дизельное топливо при устранении из него сернистых соединений теряет свои смазочные способности. Биодизельное, несмотря на значительно меньшее содержание серы, характеризуется хорошими смазочными свойствами, что продлевает срок жизни двигателя (это связано с его химическим составом и содержанием в нем кислорода). Так, грузовик из Германии попал в Книгу рекордов Гиннесса, проехав на биодизельном топливе более 1,25 млн км без замены двигателя.

Биодизельное топливо может использоваться для заправки дизельных автомобилей как в чистом (в США этот вид топлива называется B100), так и в разбавленном виде — в смеси с традиционным дизельным топливом. В США наиболее популярна смесь B20 (20% био- и 80% — обычного дизельного топлива). Крупнейшим производителем биодизеля является Евросоюз. На середину 2008 года там функционировали 214 заводов суммарной мощностью 16 млн т биодизельного топлива в год. В США на тот же период работали 149 заводов суммарной мощностью примерно 6,75 млн т в год.

Вторичное биотопливо

Одним из последних достижений современной альтернативной энергетики стало биотопливо второго поколения, которое получают различными методами, в том числе пиролизом биомассы. Технология получила название biomass to liquids (BTL). Быстрый пиролиз позволяет превратить биомассу в жидкость, которую легче и дешевле транспортировать, хранить и использовать. Согласно исследованиям концернов DaimlerChrysler и Volkswagen, синтетическое биотопливо не требует специальной доработки существующих автомобильных двигателей и модернизации сетей АЗС. Оно практически не содержит углекислого газа, серы и ароматических углеводородов. Для этого топлива характерна высокая плотность энергии (40 МДж/л), что делает его сравнимым по качеству с синтетическим жидким топливом, произведенным из газа. Кроме того, у него высокая выработка с гектара — 4 тыс. л дизель-эквивалента, в то время как у этанола — 2,5 тыс. л, у растительного масла, производимого из рапса,— 1,3 тыс. л. Однако стоимость производства одного литра биотоплива второго поколения существенно выше, чем такого же объема топлива из минерального сырья, и составляет 70 центов за литр против 35-40 центов за литр дизельного.

По оценкам Немецкого энергетического, сегодня производство топлива путем пиролиза биомассы может удовлетворить 20% потребностей Германии в автомобильном топливе, а к 2030 году — до 35%. Себестоимость производства при этом составит менее €0,8 за литр топлива.

Из разновидностей биотоплива второго поколения, появившихся недавно на рынке, известность получило топливо под торговыми марками BioOil канадской компании DynaMotive, SunDiesel немецкой компании Choren Industries GmbH, O2Diesel одноименной американской компании и NExBTL финской компании Neste Oil.

Так, бионефть (буквальный перевод термина BioOil) изготавливается путем преобразования органических лесных (древесные опилки, кора) и сельскохозяйственных (жом) отходов в процессе быстрого пиролиза. Продолжительность процесса — около двух секунд. При этом часть газов, не прошедших процесс сжижения, используется для поддержания температурного режима. Первый промышленный завод по производству бионефти по технологии DynaMotive начал работу в 2005 году в Западном Лорне (Онтарио, Канада). Ежегодно он производит 36,5 тыс. т биотоплива. Второй завод, мощностью 73 тыс. т в год, запущен в середине 2007 года.

В конце 2007 года в немецком городе Фрайберг немецкая компания Choren запустила промышленную установку по производству биотоплива SunDiesel. Ежедневно она производит 60 тыс. л биотоплива из чуть более 200 т биомассы. Ежегодных объемов производства хватает для обеспечения годовой потребности в горючем 15-20 тыс. легковых автомобилей.

Топливо O2Diesel представляет собой смесь из 7,7% этанола, 1% цетановой присадки и 20% дизеля, гомогенность которой достигается за счет частичного окисления (на 35%) этанола кислородом (отсюда О2 в названии). Распространено в США, Бразилии и Индии. После того как в марте 2007 года 80% акций O2Diesel Corporation было приобретено крупным производителем этанола компанией ProEco, менеджмент обеих компаний принял решение о строительстве на базе существующих мощностей еще двух заводов по производству порядка 380 млн л биотоплива O2Diesel в год. Строительство должно завершиться в этом году.

NExBTL представляет собой смесь биодизеля и водорода. Технология финской Neste Oil позволяет перерабатывать растительные масла или животные жиры в подобие солярки, параллельно получая другие продукты, например газ пропан. В 2007 году на базе нефтеперерабатывающего завода компании в Порвоо состоялся запуск производства биотоплива мощностью 170 тыс. т топлива в год. Для работы заводу ежедневно требуется около 24 т водорода.

Энергетические водоросли

По оценкам департамента энергетики США, с гектара земли можно получить 255 л соевого масла или 2,4 тыс. л пальмового масла. На такой же площади, залитой водой, можно производить до 567,6 тыс. л бионефти. С 1978 по 1996 год в рамках программы по исследованию водной флоры и фауны по заказу департамента ученые исследовали водоросли с высоким содержанием масла и пришли к выводу, что в климатических условиях Калифорнии, Гавайев и Нью-Мексико на 200 тыс. га прудов возможно промышленное производство биотоплива, достаточного для годового потребления 5% автомобилей США. Однако в 1996 году было решено, что водоросли не могут конкурировать с ископаемым топливом.

Спустя десять лет, когда цены на нефть выросли почти в два раза, американские разработчики вновь обратились к идее извлечения энергии из водорослей. Для ее реализации были разработаны специальные технологии. Вместо прудов для выращивания водорослей стали использовать закрытые вертикальные системы в виде длинных рядов движущихся прозрачных пластиковых мешков. Технология, разработанная американской компанией Valcent Products, получила название Verti-Gro и обошлась в $5 млн.

В 2006 году канадская компания Global Green Solutions объявила о строительстве завода по производству биодизельного топлива из водорослей по технологии Verti-Gro мощностью 4 млн баррелей бионефти в год.

О том, что сине-зеленые водоросли действительно представляют собой весьма перспективный источник альтернативной энергии, говорит тот факт, что инвестированием в их переработку заинтересовался бизнесмен номер один в мире, основатель корпорации Microsoft Билл Гейтс. В сентябре 2008 года стало известно, что инвестиционный фонд Cascade Investment, существующий на деньги Гейтса, учредил компанию Sapphire Energy, которая займется переработкой морских водорослей в автомобильное топливо. Эксперты компании указывают на то, что из всех видов органического сырья водоросли являются самыми дешевыми и эффективными. В отличие от сахарного тростника или подсолнечного масла они не используются в пищевой промышленности. Компания уже получила $100 млн на создание перегонного завода мощностью 10 тыс. баррелей биотоплива в сутки. В финансировании Sapphire Energy также приняли участие компании Arch Venture Partners, Wellcome Trust и Venrock. Планируется, что завод начнет производство в 2011-2012 годах.

Серафима Лебедева

3.8: Бензин — более глубокий взгляд

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

Идентификатор страницы

67074

Цели

После завершения этого раздела вы сможете

1. описывают общую природу нефтяных месторождений и объясняют, почему нефть является таким важным источником органических соединений.
2. в общих чертах объясняет процессы, связанные с переработкой нефти.
3. определяют октановое число топлива и связывают октановое число с химической структурой.

Ключевые термины

Убедитесь, что вы можете определить и использовать в контексте приведенные ниже ключевые термины.

• каталитический крекинг
• каталитический риформинг
• фракционная перегонка
• октановое число (октановое число)

Study Notes

Переработка нефти в пригодные для использования фракции является очень важным промышленным процессом. В лабораторной части этого курса у вас будет возможность сравнить этот промышленный процесс с процедурой, выполняемой в лаборатории.

Нефть

Нефть, выкачиваемая из-под земли в разных местах по всему миру, представляет собой сложную смесь нескольких тысяч органических соединений, включая алканы с прямой цепью, циклоалканы, алкены и ароматические углеводороды, содержащие от четырех до нескольких сотен атомов углерода. Идентичность и относительное содержание компонентов варьируются в зависимости от источника. Таким образом, сырая нефть Техаса несколько отличается от сырой нефти Саудовской Аравии. Фактически, анализ нефти из разных месторождений может дать «отпечатки пальцев» каждого из них, что полезно при отслеживании источников разлитой сырой нефти. Например, сырая нефть из Техаса является «сладкой», что означает, что она содержит небольшое количество серосодержащих молекул, тогда как сырая нефть из Саудовской Аравии является «кислой», что означает, что она содержит относительно большое количество серосодержащих молекул.

Бензин

Нефть преобразуется в полезные продукты, такие как бензин, в три этапа: дистилляция, крекинг и риформинг. Напомним из главы 1, что дистилляция разделяет соединения на основе их относительной летучести, которая обычно обратно пропорциональна их температурам кипения. В части (а) на рис. 3.8.1 показан разрез колонны, используемой в нефтяной промышленности для разделения компонентов сырой нефти. Нефть нагревается приблизительно до 400°C (750°F), при которой она становится смесью жидкости и пара. Эта смесь, называемая исходным сырьем, вводится в рафинировочную башню. Наиболее летучие компоненты (с самой низкой температурой кипения) конденсируются в верхней части колонны, где она холоднее, а менее летучие компоненты конденсируются ближе к низу. Некоторые вещества настолько нелетучи, что собираются на дне, не испаряясь вообще. Таким образом, состав жидкости, конденсирующейся на каждом уровне, различен. Эти разные фракции, каждая из которых обычно состоит из смеси соединений с одинаковым числом атомов углерода, отбираются отдельно. Часть (b) на рис. 3.8.1 показывает типичные фракции, собираемые на нефтеперерабатывающих заводах, количество содержащихся в них атомов углерода, их температуры кипения и их конечное использование. Эти продукты варьируются от газов, используемых в природном и баллонном газе, до жидкостей, используемых в горюче-смазочных материалах, до смолистых твердых веществ, используемых в качестве смолы на дорогах и крышах.

Рисунок 3.8.1: Перегонка нефти. (а) Это схема дистилляционной колонны, используемой для разделения нефтяных фракций. (b) Нефтяные фракции конденсируются при различных температурах, в зависимости от числа атомов углерода в молекулах, и удаляются из колонны. Наиболее летучие компоненты (с самой низкой температурой кипения) конденсируются в верхней части колонны, а наименее летучие (с самой высокой температурой кипения) конденсируются в нижней части.

Экономика нефтепереработки сложна. Например, потребность рынка в керосине и смазочных материалах намного ниже потребности в бензине, при этом все три фракции получают из ректификационной колонны в сопоставимых количествах. Кроме того, большинство бензинов и реактивного топлива представляют собой смеси с очень тщательно контролируемым составом, который не может изменяться, как исходное сырье. Чтобы сделать переработку нефти более прибыльной, менее летучие и низкоценные фракции должны быть преобразованы в более летучие и более ценные смеси, состав которых тщательно контролируется. Первым процессом, используемым для осуществления этого превращения, является крекинг, при котором более крупные и тяжелые углеводороды в керосиновой и высококипящей фракциях нагреваются до температуры до 9°С.00°С. Высокотемпературные реакции вызывают разрыв углерод-углеродных связей, что превращает соединения в более легкие молекулы, подобные молекулам бензиновой фракции. Так, при крекинге алкан с прямой цепью с числом атомов углерода, соответствующим керосиновой фракции, превращается в смесь углеводородов с числом атомов углерода, соответствующим более легкой бензиновой фракции. Второй процесс, используемый для увеличения количества ценных продуктов, называется риформингом; это химическое превращение алканов с прямой цепью либо в алканы с разветвленной цепью, либо в смеси ароматических углеводородов. Использование таких металлов, как платина, вызывает необходимые химические реакции. Смеси продуктов крекинга и риформинга разделяют фракционной перегонкой.

Октановое число

Качество топлива определяется его октановым числом, которое является мерой его способности сгорать в двигателе внутреннего сгорания без детонации или стука. Стук и стук сигнализируют о преждевременном сгорании (рис. 3.8.2), что может быть вызвано либо неисправностью двигателя, либо слишком быстрым сгоранием топлива. В любом случае бензино-воздушная смесь детонирует не в тот момент цикла двигателя, что снижает выходную мощность и может повредить клапаны, поршни, подшипники и другие компоненты двигателя. Различные составы бензина предназначены для получения смеси углеводородов, которая с наименьшей вероятностью вызовет детонацию или детонацию в двигателе данного типа, работающем на определенном уровне.

Рисунок 3.8.2 : Сжигание бензина в двигателе внутреннего сгорания. (a) Обычно топливо воспламеняется от свечи зажигания, и горение распространяется равномерно наружу. (b) Бензин со слишком низким октановым числом для двигателя может воспламениться преждевременно, что приведет к неравномерному сгоранию, вызывающему детонацию и стук.

Шкала октанового числа была установлена ​​в 1927 году с использованием стандартного испытательного двигателя и двух чистых соединений: н-гептана и изооктана (2,2,4-триметилпентана). Октановое число н-гептану, вызывающему сильную детонацию при сгорании, было присвоено 0, в то время как изооктану, очень легко сгорающему топливу, было присвоено октановое число 100. Химики присваивают октановое число различным смесям бензина путем сжигание образца каждого из них в испытательном двигателе и сравнение наблюдаемой детонации с интенсивностью детонации, вызванной конкретными смесями н-гептана и изооктана. Например, октановое число смеси 89.% изооктана и 11% н-гептана — это просто среднее значение октановых чисел компонентов, взвешенных по относительным количествам каждого из них в смеси. Преобразовывая проценты в десятичные дроби, получаем октановое число смеси:

\[0,89(100) + 0,11(0) = 89 \tag{3.8.1}\]

Как показано на рис. 3.8.3, многие соединения которые сейчас доступны, имеют октановое число выше 100, что означает, что они являются лучшим топливом, чем чистый изооктан. Кроме того, были разработаны антидетонаторы, также называемые октановыми добавками. Одним из наиболее широко используемых в течение многих лет был тетраэтилсвинец [(C ₂ H ₅ ) ₄ Pb], что примерно при 3 г/галлон дает увеличение октанового числа на 10–15 пунктов. Однако с 1975 года соединения свинца перестали использоваться в качестве присадок к бензину из-за их высокой токсичности. Вместо них были разработаны другие усилители, такие как метил-трет-бутиловый эфир (МТБЭ). Они сочетают в себе высокое октановое число и минимальную коррозию деталей двигателя и топливной системы. К сожалению, когда бензин, содержащий МТБЭ, вытекает из подземных резервуаров для хранения, это приводит к загрязнению грунтовых вод в некоторых местах, что приводит к ограничению или прямому запрету на использование МТБЭ в определенных районах. В результате увеличивается использование альтернативных усилителей октанового числа, таких как этанол, который можно получить из возобновляемых ресурсов, таких как кукуруза, сахарный тростник и, в конечном счете, кукурузные стебли и травы.

Рисунок 3.8.3 : Октановые числа некоторых углеводородов и обычных присадок

Авторы и авторство

---

3.8: Бензин — более глубокий взгляд распространяется по лицензии CC BY-NC-SA 4. 0, автором, ремиксом и/или куратором является LibreTexts.

1. Наверх

• Была ли эта статья полезной?

1. Тип изделия

   Раздел или Страница

   Печать CSS

   Плотный

   Лицензия

   CC BY-NC-SA

   Версия лицензии

   4,0

   Показать страницу TOC

   № на стр.

2. Теги

   На этой странице нет тегов.

8.5: Органические соединения – углеводороды – Химия LibreTexts

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

Идентификатор страницы

49425

• Ed Vitz, John W. Moore, Justin Shorb, Xavier Prat-Resina, Tim Wendorff, & Adam Hahn
• Digital Education0 ДЛ)

Углерод уникален среди элементов периодической таблицы из-за способности его атомов образовывать прочные связи друг с другом, сохраняя при этом одну или несколько оставшихся валентностей для связи с другими атомами. Прочность углерод-углеродной связи позволяет образовывать длинные цепи:

Это поведение называется катенацией . Такая цепь содержит множество участков, с которыми могут связываться другие атомы (или несколько атомов углерода), что приводит к большому разнообразию соединений углерода или органических соединений. Углеводороды содержат только водород и углерод. Они представляют собой простейшие примеры того, как цепная связь в сочетании с валентностью углерода, равной 4, приводит к огромному разнообразию молекулярных структур даже при участии всего двух элементов. Углеводороды с одинарными связями называются алканами. Примером алкана является бутан:

Бутан

Эти углеводороды могут состоять из прямых цепей различной длины или разветвляться, когда один углерод связан с тремя или четырьмя другими атомами углерода. Это позволяет использовать изомеры, такие как изобутан, разветвленный углеводород:

Изобутан

Углеводороды также могут образовывать кольцевые структуры, называемые циклоалканами. Примером является циклогексан:

.

Циклогексан

Углерод способен образовывать двойные и тройные связи с другими атомами углерода. Это приводит к молекулам, называемым алкенами, которые содержат двойную связь, и алкинами, которые содержат тройную связь. Примером алкена является этен (этилен), а примером алкина — этин (ацетилен):

Этен

Этин

Вместе их относят к ненасыщенным углеводородам, так как в молекуле меньше атомов водорода из-за кратных связей по сравнению с алканами. Особым классом углеводородов с множественными связями являются ароматические углеводороды, все они имеют форму углеводородного кольца с двойными связями между атомами углерода. Например, бензол:

.

Бензол

Углеводороды также чрезвычайно важны с экономической и геополитической точки зрения. ископаемое топливо , уголь, нефть (или сырая нефть) и природный газ состоят в основном из углеводородов и чрезвычайно важны в повседневной жизни. Нефть оказывается смесью многих различных углеводородов. Молекулы разного размера полезны для разных задач. На следующей схеме фракционной перегонки нефти показаны различные типы фракций углеводородов, взятых из нефти.

Рисунок \(\PageIndex{1}\): схема фракционной перегонки сырой нефти, используемой в нефтепереработке. Смесь разделяется на газы, бензин, керосин, мазут, смазочное масло и остаток (асфальт).

Ниже приводится краткий обзор различных фракций нефти ^[1] .

Газы (природные)

Газовая фракция содержит углеводороды, содержащие от 1 до 4 атомов углерода в каждой молекуле. Их можно использовать в качестве топлива. Другое применение — получение таких материалов, как пластмассы и синтетические волокна, из таких углеводородов с помощью методов полимеризации. Ниже приведен пример для пропана:

Шариковая модель для пропана

Бензин

Вероятно, наиболее знакомым из углеводородных дистиллятов является бензин. Бензин состоит из углеводородов с 5-12 атомами углерода в каждой молекуле. Трудно переоценить важность бензина для современного общества, учитывая центральную роль автомобильного транспорта в нашем обществе. Бензин также служит промышленным растворителем. Примером углеводорода, содержащегося в бензине, является толуол:

шарико-стержневая модель молекулы толуола C7H8, обнаруженная в кристаллической структуре. Данные рентгеноструктурного анализа из J. Chim. физ. физ.-хим. биол.(1977) 74 , 68-73.

Керосин

Керосин состоит из углеводородов, содержащих от 12 до 16 атомов углерода на молекулу. В основном керосин используется в качестве лампового масла, дизельного топлива и для каталитического крекинга, процессов, обсуждаемых в разделе, посвященном ненасыщенным углеводородам. Это позволяет разбивать эти более крупные углеводороды до размера, который можно использовать для производства бензина. Примером углеводорода, который должен быть в керосиновой фракции, является тетрадекан:

Шаростержневая модель молекулы тетрадекана

Мазут

Мазут состоит из углеводородов с числом атомов углерода в молекуле от 15 до 18. Подобно керосину, этот дистиллят используется для получения мазута, дизельного топлива и каталитического крекинга. Примером может служить гексадекан:

Шарико-стержневая модель молекулы гексадекана

Смазочное масло

Смазочные масла состоят из 16-20 атомов углерода на молекулу углеводорода. Смазочные масла, иногда называемые минеральным маслом, используются для уменьшения трения между движущимися частями. Пожалуй, самое знакомое применение — моторное масло. Примером углеводорода в диапазоне размеров смазочного масла является эйкозан:

Шаровидная модель молекулы икосана

Остаток (асфальт)

Углеводороды, которые не выкипают, остаются после перегонки в виде углеводородов с более чем 20 атомами углерода на молекулу. Эти углеводороды можно использовать в качестве асфальта. Примером является тетракозан:

химическая структура тетракозана

1. Moore, J.W.; Станицкий, К.Л.; Юрс, П.К. Химия: молекулярная наука. 3-е издание. Томпсон Брукс/Коул. 2008. 546-547.

---

Эта страница под названием 8. 5: Органические соединения — углеводороды распространяется в соответствии с лицензией CC BY-NC-SA 4.0, ее авторами, ремиксами и/или кураторами являются Эд Витц, Джон У. Мур, Джастин Шорб, Ксавье Прат-Ресина, Тим Вендорф и Адам Хан.

1. Наверх

• Была ли эта статья полезной?

1. Тип изделия

   Раздел или Страница

   Автор

   ХимПРАЙМ

   Лицензия

   CC BY-NC-SA

   Версия лицензии

   4,0

   Показать страницу TOC

   № на стр.