Жанармай ретінде спирттердің қолданылуы

Кіріспе

Ішкі жанатын қозғалтқыштарда отын ретінде қолданылатын спирттер

Ішкі жанатын қозғалтқыштарда отын ретінде әр түрлі спирттер қолданылады. Алғашқы төрт алифалық спирт (метанол, этанол, пропанол және бутанол) отын ретінде қызығушылық тудырады, себебі оларды химиялық немесе биологиялық жолмен синтездеуге болады, сондай-ақ олардың ішкі жанатын қозғалтқыштарда қолдануға мүмкіндік беретін қасиеттері бар. Спирт отынының жалпы химиялық формуласы CnH2n+1OH. Метанолдың көп бөлігі табиғи газдан өндіріледі, бірақ оны биомассадан да ұқсас химиялық процестер арқылы өндіруге болады. Этанол әдетте ферментация процестері арқылы биологиялық материалдан алынады. Биобутанолдың жану қозғалтқыштарындағы артықшылығы – оның энергия тығыздығы қарапайым спирттерге қарағанда бензинге жақын (бірақ 25%-дан жоғары октан саны сақталады); алайда, биобутанолды қазіргі уақытта этанол немесе метанолдан өндіру қиынырақ. Биологиялық материалдардан және/немесе биологиялық процестерден алынған жағдайда, олар биоалкогольдер деп аталады (мысалы, "биоэтанол"). Биологиялық және химиялық жолмен өндірілген спирттер арасында ешқандай химиялық айырмашылық жоқ. Төрт негізгі спирт отынының бір артықшылығы – олардың жоғары октан саны. Бұл олардың отын тиімділігін арттырады және көлік құралдарының спирт отынының төменгі энергия тығыздығын толықтай өтестіреді (бензин/газолин және дизель отынымен салыстырғанда), соның салдарынан "отын үнемдеуі" көлемге шаққандағы қашықтық бойынша салыстырмалы болады, мысалы, литрге километр немесе галлонға миль.

Метанол және этанол

Метанол мен этанолды, сондай-ақ, табиғи отыннан, биомассадан немесе көмірқышқыл газы мен судан алуға болады. Этанол көбінесе қантты ашыту арқылы, ал метанол көбінесе синтез газынан өндіріледі, бірақ бұл отынды алудың заманауи тәсілдері де бар. Ашыту орнына ферменттерді қолдануға болады. Метанол – ең қарапайым молекула, ал этанолды метанолдан жасауға болады. Метанолды өнеркәсіптік жолмен кез келген биомассадан, соның ішінде жануарлар қалдықтарынан немесе көмірқышқыл газы мен судан немесе будан газдағыш арқылы синтез газына айналдыру арқылы өндіруге болады. Сондай-ақ, оны электролиз немесе ферменттер арқылы зертханада да өндіруге болады. Метанол мен этанолдың отын ретінде бензин мен дизель отынына қарағанда артықшылықтары мен кемшіліктері бар. Шыршалы отпен жұмыс істейтін қозғалтқыштарда екі спирт те жоғары ауа айналымы жылдамдықтарымен және жоғары қысылу қатынастарымен жұмыс істей алады. Екі спирттің де октандық саны жоғары, мысалы, этанол 109 RON (зерттеу октандық нөмірі), 90 MON (моторлық октандық нөмірі), (бұл 99,5 AKI-ге тең) және метанол 109 RON, 89 MON (бұл 99 AKI-ге тең). AKI – «соққыға қарсы индекс» екенін ескеру керек, ол RON және MON сандарының орташасын құрайды (RON + MON) / 2, және АҚШ бензин станцияларының сорғыларында қолданылады. Еуропалық қарапайым бензин 95 RON, 85 MON, 90 AKI-ге тең. Қатты күйдірілген отты қозғалтқыш отыны ретінде екі спирт те өте аз бөлшектерді шығарады, бірақ олардың төмен цетан саны гликол сияқты отты жақсартушы затты отынға шамамен 5% араластыруды талап етеді. Шыршалы отпен жұмыс істейтін қозғалтқыштарда пайдаланылғанда спирттер NOx, CO, HC және бөлшектерді азайтуға мүмкіндік береді. E85 отынымен жабдықталған Chevrolet Luminas сынағында NMHC 20-22%, NOx 25-32%, CO 12-24%-ға дейін қайта құрастырылған бензинмен салыстырғанда төмендеді. Бензол мен 1,3-бутадиеннің уытты шығарындылары да азайды, ал альдегидтердің (әсіресе ацетальдегидтің) шығарындылары артты. Сондай-ақ, осы спирттердің көміртегі мен сутегінің арақатынасының төмендеуі және қозғалтқыштың тиімділігінің жақсаруы салдарынан CO2 шығарындылары азаяды. Метанол мен этанол отынында ерігіш және ерімейтін ластаушы заттар бар. Хлорид иондары сияқты еритін ластаушы заттар болып табылатын галид иондары спирттік отынның коррозиясына үлкен әсер етеді. Галид иондары коррозияны екі жолмен күшейтеді: олар бірнеше металлдарға оксидті пассивтеуші қабаттарға химиялық шабуыл жасайды, соның салдарынан коррозияға әкеледі, және отынның өткізгіштігін арттырады. Электр өткізгіштігінің артуы отын жүйесіндегі электрлік, гальваникалық және қарапайым коррозияға ықпал етеді. Алюминий гидроксиді сияқты ерігіш ластаушы заттар, ол өзі галид иондарымен коррозияның нәтижесі, уақыт өте келе отын жүйесін бітейді. Коррозияны болдырмау үшін отын жүйесі қолайлы материалдардан жасалуы тиіс, электр сымдары дұрыс оқшаулануы тиіс және отын деңгейін өлшегіш импульстік және ұстап тұру, магниттік резистивті немесе басқа ұқсас жанаспайтын типті болуы тиіс. Сонымен қатар, жоғары сапалы спирттің ластаушы заттардың концентрациясы төмен болуы және оған тиісті коррозия ингибиторы қосылуы тиіс. Ғылыми деректерге сүйенсек, су этанолдың коррозиясын тежейтін зат. Эксперименттер E50-мен жасалды, ол агрессивті және коррозия әсерін жылдамдатады. Отынның этанолындағы судың мөлшерін көбейту арқылы коррозияны азайтуға болатыны анық. Этанол отынында 2% немесе 20 000 ppm судың мөлшерінде коррозия тоқтады. Жапонияда жүргізілген бақылауларға сәйкес, сулы этанол сусыз этанолға қарағанда азырақ коррозияға ұшырайды. Реакция механизмі 3 EtOH + Al > Al(OEt)3 + 3/2 H2 төменгі орташа қоспаларда. Отын құрамында жеткілікті мөлшерде су болған кезде алюминий сумен әрекеттесіп, Al2O3 шығарады, бұл қорғаныш алюминий оксид қабатын қалпына келтіреді. Алюминий алкоксиді қатаң оксид қабатын жасамайды; оксид қабатындағы тесіктерді жөндеу үшін су қажет. Метанол мен этанол кейбір полимерлермен үйлесімсіз. Алкоголь полимерлермен әрекеттесіп, ісікті тудырады, ал уақыт өте келе оттегі полимердегі көміртекті-көміртекті байланыстарды бұзады, бұл тартылу беріктігін төмендетеді. Алайда соңғы онжылдықта көптеген көліктер 10%-ға дейін этанолды (E10) кедергісіз қабылдауға арналған. Бұл отын жүйесіне үйлесімділік пен отын құюды жабулы циклмен басқаруды қамтамасыз ететін отын құю қозғалтқыштарымен отын құюды ламбдамен өтеуді қамтиды. Кейбір қозғалтқыштарда этанол әдеттегі бензинге арналған пластик немесе резеңке отын жеткізу компоненттерін бұзуы мүмкін, сондай-ақ отынды дұрыс өтеуге қабілетсіз болуы мүмкін. «FlexFuel» көліктері жаңартылған отын жүйесімен және қозғалтқыш компоненттерімен жабдықталған, олар E85 немесе M85 отынын ұзақ пайдалануға арналған, ал ЭБУ кез келген отын қоспасына бейімделе алады. Типик жаңартуларға келесілер кіреді: отын бактары, отын багының электр сымдары, отын сорғылары, отын сүзгілері, отын құбырлары, құю түтікшелері, отын деңгейін өлшегіштері, отын инжекторлары, тығыздағыштар, отын рельстері, отын қысымын реттегіштері, клапан отырғыштары және кіріс клапандары. Бразилия нарығына арналған «Total Flex» автокөліктері E100 (100% этанол) пайдалана алады. Этанолдың бір литрі жану кезінде 21,1 МДж энергияны бөліп шығарады, метанолдың бір литрі 15,8 МДж, ал бензиннің бір литрі шамамен 32,6 МДж. Басқаша айтқанда, бензиннің бір литріне немесе галлонына тең энергия мазмұны үшін этанолдың 1,6 литрі/галлоны және метанолдың 2,1 литрі/галлоны қажет. Көлем бойынша шикі энергия сандары, алайда, алкогольмен жұмыс істейтін қозғалтқыштарды айтарлықтай энергияны тиімді етуге болатындықтан, адастыратын отын тұтыну сандарын тудырады. Алкогольдің бір литрінен жану арқылы бөлінетін энергияның үлкен пайызы пайдалы жұмысқа айналдырылуы мүмкін. Бұл тиімділік айырмасы салыстырылып жатқан нақты қозғалтқыштарға байланысты энергия тығыздығының айырмасын толығымен немесе жартылай теңестіре алады. Метанол отыны болашақ биоотын ретінде ұсынылған, көбінесе сутегі экономикасына балама ретінде. Метанолдың жарыс отыны ретінде ұзақ тарихы бар. Ерте Гран-при жарыстары қоспаларды, сондай-ақ таза метанолды пайдаланған. Отын соғыстан кейін негізінен Солтүстік Америкада қолданылды. Алайда, жарыс мақсатындағы метанол көбінесе табиғи газдан алынған синтез газынан өндірілген метанолға негіделген, сондықтан бұл метанолды биоотын деп санамауға болады. Метанол, алайда, биомассадан алынған синтез газы болған кезде биоотын болуы мүмкін. Теориялық тұрғыдан алғанда, метанолды тұрақты түрде алынған биомассадан және соңында көмірқышқыл газынан, сондай-ақ ядролық энергияны, геотермальды энергияны немесе басқа жаңаруға қабілетті энергия көзін пайдаланып сутегі электролизі арқылы өндіруге болады (Carbon Recycling International қараңыз). Биоэтанолмен салыстырғанда, метанол биоотынының басты артықшылығы – оның өте жоғары «құдықтан дөңгелекке» тиімділігі. Бұл, әсіресе, қант немесе крахмал дақылдарын этанол жасау үшін өсіру үшін тыңайтқыштар қажет болатын қоңыржай климатта маңызды, ал метанолды тыңайтқышсыз лигноцеллюлозалық (ағаш) биомассадан өндіруге болады. Этанол қазірдің өзінде отын қоспасы ретінде кеңінен қолданылуда, ал этанол отынының жеке немесе бензинмен қоспасы ретінде қолданылуы артып келеді. Метанолмен салыстырғанда, оның басты артықшылығы – оның аз коррозиялық және нашар уытты екендігі, бірақ отын кейбір уытты шығарындыларды шығарады. 2007 жылдан бері Indy Racing League 40 жылдық метанолды пайдаланғаннан кейін этанолды өзінің эксклюзивті отыны ретінде пайдалануда. 2007 жылдың қыркүйегінен бастап Австралияның Жаңа Оңтүстік Уэльс штатындағы бензин станциялары барлық бензинін 2% этанолмен қамтамасыз етуге міндетті.

Methanol and ethanol can both be derived from fossil fuels, biomass, or from carbon dioxide and water. Ethanol has most commonly been produced through fermentation of sugars, and methanol has most commonly been produced from synthesis gas, but there are more modern ways to obtain these fuels. Enzymes can be used instead of fermentation. Methanol is the simpler molecule, and ethanol can be made from methanol. Methanol can be produced industrially from nearly any biomass, including animal waste, or from carbon dioxide and water or steam by first converting the biomass to synthesis gas in a gasifier. It can also be produced in a laboratory using electrolysis or enzymes. As a fuel, methanol and ethanol both have advantages and disadvantages over fuels such as petrol (gasoline) and diesel fuel. In spark ignition engines, both alcohols can run at much higher exhaust gas recirculation rates and with higher compression ratios. Both alcohols have a high octane rating, with ethanol at 109 RON (Research Octane Number), 90 MON (Motor Octane Number), (which equates to 99.5 AKI) and methanol at 109 RON, 89 MON (which equates to 99 AKI). Note that AKI refers to 'Anti Knock Index' which averages the RON and MON ratings (RON+MON)/2, and is used on U. S. gas station pumps. Ordinary European petrol is typically 95 RON, 85 MON, equal to 90 AKI. As a compression ignition engine fuel, both alcohols create very few particulates, but their low cetane number means that an ignition improver like glycol must be mixed into the fuel at approx. 5%. When used in spark ignition engines alcohols have the potential to reduce NOx, CO, HC and particulates. A test with E85 fueled Chevrolet Luminas showed that NMHC went down by 20 22%, NOx by 25 32% and CO by 12 24% compared to reformulated gasoline. Toxic emissions of benzene and 1,3 butadiene also decreased while aldehyde emissions increased, (acetaldehyde in particular). Tailpipe emissions of CO2 also decrease due to the lower carbon to hydrogen ratio of these alcohols, and improved engine efficiency. Methanol and ethanol fuels contain soluble and insoluble contaminants. Halide ions, which are soluble contaminants, such as chloride ions, have a large effect on the corrosivity of alcohol fuels. Halide ions increase corrosion in two ways: they chemically attack passivating oxide films on several metals causing pitting corrosion, and they increase the conductivity of the fuel. Increased electrical conductivity promotes electrical, galvanic and ordinary corrosion in the fuel system. Soluble contaminants such as aluminum hydroxide, itself a product of corrosion by halide ions, clog the fuel system over time. To prevent corrosion the fuel system must be made of suitable materials, electrical wires must be properly insulated and the fuel level sensor must be of pulse and hold type, magneto resistive or other similar non contact type. In addition, high quality alcohol should have a low concentration of contaminants and have a suitable corrosion inhibitor added. Scientific evidence reveals that water is an inhibitor for corrosion by ethanol. The experiments are done with E50, which is more aggressive and speeds up the corrosion effect. It is very clear that by increasing the amount of water in fuel ethanol one can reduce corrosion. At 2% or 20,000 ppm water in the ethanol fuel the corrosion stopped. In line with the observations in Japan, hydrous ethanol is known to be less corrosive than anhydrous ethanol. The reaction mechanism is 3 EtOH + Al > Al(OEt)3 + 3 2/ H2 at lower mid blends. When enough water is present in the fuel, aluminum will react preferably with water to produce Al2O3, repairing the protective aluminum oxide layer. The aluminum alkoxide does not make a tight oxide layer; water is essential to repair the holes in the oxide layer. Methanol and ethanol are incompatible with some polymers. The alcohol reacts with the polymers causing swelling, and over time oxygen breaks down the carbon carbon bonds in the polymer causing a reduction in tensile strength. For the past few decades though, most cars have been designed to tolerate up to 10% ethanol (E10) without problem. This includes both fuel system compatibility and lambda compensation of fuel delivery with fuel injection engines featuring closed loop lambda control. In some engines ethanol may degrade some compositions of plastic or rubber fuel delivery components designed for conventional petrol, and also be unable to lambda compensate the fuel properly. "FlexFuel" vehicles have upgraded fuel system and engine components which are designed for long life using E85 or M85, and the ECU can adapt to any fuel blend between gasoline and E85 or M85. Typical upgrades include modifications to: fuel tanks, fuel tank electrical wiring, fuel pumps, fuel filters, fuel lines, filler tubes, fuel level sensors, fuel injectors, seals, fuel rails, fuel pressure regulators, valve seats and inlet valves. "Total Flex" autos destined for the Brazilian market can use E100 (100% ethanol). One liter of ethanol releases 21.1 MJ in combustion, a liter of methanol 15.8 MJ and a liter of gasoline approximately 32.6 MJ. In other words, for the same energy content as one liter or one gallon of gasoline, one needs 1.6 liters/gallons of ethanol and 2.1 liters/gallons of methanol. The raw energy per volume numbers produce misleading fuel consumption numbers, however, because alcohol fueled engines can be made substantially more energy efficient. A larger percentage of the energy released by combustion of a liter of alcohol fuel can be converted to useful work. This difference in efficiency can partially or totally balance out the energy density difference, depending on the particular engines being compared. Methanol fuel has been proposed as a future biofuel, often as an alternative to the hydrogen economy. Methanol has a long history as a racing fuel. Early Grand Prix Racing used blended mixtures as well as pure methanol. The fuel was primarily used in North America after the war. However, methanol for racing purposes has largely been based on methanol produced from syngas derived from natural gas and therefore this methanol would not be considered a biofuel. Methanol is a possible biofuel, however, when the syngas is derived from biomass. In theory, methanol can also be produced from sustainably sourced biomass and ultimately carbon dioxide, and by hydrogen electrolysis using nuclear power, geothermal power or some other renewable energy source (see Carbon Recycling International). Compared to bioethanol, the primary advantage of methanol biofuel is its much greater well to wheel efficiency. This is particularly relevant in temperate climates where fertilizers are needed to grow sugar or starch crops to make ethanol, whereas methanol can be produced from unfertilized lignocellulose (woody) biomass. Ethanol is already being used extensively as a fuel additive, and the use of ethanol fuel alone or as part of a mix with gasoline is increasing. Compared to methanol its primary advantage is that it is less corrosive and non toxic, although the fuel will produce some toxic exhaust emissions. Since 2007, the Indy Racing League has used ethanol as its exclusive fuel, after 40 years of using methanol. Since September 2007 petrol stations in NSW, Australia have been mandated to supply all their petrol with 2% ethanol content

Жапония

Жапонияда алғашқы спирт отыны 1999 жылы GAIAX-пен басталды. GAIAX Оңтүстік Кореяда жасалды және Жапонияға импортталды. Басты құрамы – метанол. GAIAX бензин болмағандықтан, Жапонияның жанармай салығынан босатылды. Бірақ, нәтижесінде, GAIAX-ты пайдалануды Жапония үкіметі мен мұнай өнеркәсібі контрабандалық әрекет деп санады. GAIAX-ты бөлшек саудаға шығару салықтан қашу туралы сынды болдырмау үшін жасалды, ол дизель отынына салықты заң жүзіндегі ережелерге сәйкес дербес төледі. GAIAX-қа май құю кезінде автокөліктердің өртенуі туралы хабарлар 2000 жыл шамасында салықтан қашу туралы пікір-таластар аяқталған кезде тарады. Жапониядағы автокөлік өнеркәсібі GAIAX-ты сынап, «өрт жоғары тығыздықтағы спирттің отын құбырларын жеңгенінен шықты» деді. GAIAX «жоғары тығыздықтағы спирт отыны» деп аталды және оны ұзақ мерзімге нарықтан шығару науқаны жүргізілді. Экономика, сауда және өнеркәсіп министрлігі де осы науқанға қосылды. 2003 жылы қауіпсіздік алаңдауларымен байланысты бензин сапасының әдісі қайта қарастырылды. Бұл «жоғары тығыздықтағы спирт отынын» өндіруге және сатуға тыйым салды, сондай-ақ GAIAX сатуға айтарлықтай шектеу қойды. Заңға енгізілген өзгертулер отын өндірушілерге бензинге 3% немесе одан көп спирт қосуға тыйым салады. Заңға енгізілген бұл өзгерістер Жапонияда E3-тен жоғары спирт отынын сатуға мүмкіндік бермейді. Жапонияның мұнай өнеркәсібі қазір GAIAX-тан өзгеше жаңа спирт отынын зерттеп, жасап шығаруда. Бірақ, кез келген жаңа отынды коммерциялық түрде өндіруге және сатуға қазіргі қолданыстағы заңдар, GAIAX-ты нарықтан шығаратын заңдар кедергі келтіруі мүмкін. Сонымен қатар, жапон тұтынушыларының жоғары тығыздықтағы спирт отынына деген жағымсыз көзқарасы кез келген жаңа отынның коммерциялық сәттілігіне тосқауыл қоюы мүмкін.