Метанол как альтернативное топливо для двигателей.

Введение

метанол, используемый в качестве топлива
Альтернативное биотопливо для двигателей

Метанольное топливо является альтернативным биотопливом для двигателей внутреннего сгорания и других типов двигателей, как в смеси с бензином, так и самостоятельно. Метанол (CH3OH) обходится дешевле в устойчивом производстве, чем этанольное топливо, хотя он более токсичен, чем этанол, и имеет меньшую энергетическую плотность, чем бензин. Метанол безопаснее для окружающей среды, чем бензин, является антифризом, предотвращает образование отложений грязи и нагара в двигателе, имеет более высокую температуру воспламенения и обеспечивает мощность, сопоставимую с высокооктановым бензином. Его можно легко использовать в большинстве современных двигателей. Для предотвращения паровых пробок, связанных с тем, что это простое и чистое топливо, можно добавлять небольшое количество другого топлива или специальные присадки. Метанол может быть получен как из ископаемого топлива (в частности, природного газа и угля), так и из возобновляемых источников, таких как биомасса. В последнем случае он может быть синтезирован из CO (углекислого газа) и водорода. Подавляющее большинство метанола, производимого в мире, в настоящее время производится из газа и угля. Метанольное топливо широко используется в гоночных автомобилях и все чаще применяется в морской отрасли. В 2022 году мировой рынок биометанола составил около 120 миллионов долларов США, при этом большая его часть производится из биомассы. Значительные инвестиции в производство и исследования биометанола вкладывают такие компании, как Enerkem, Södra, Methanex, Alberta Pacific и BASF.

История и производство

Во время нефтяного кризиса 1973 года метанол, полученный из угля, был предложен в качестве топлива для замены бензина. В 2005 году Джордж А. Олах предложил "экономику метанола", основанную на накоплении энергии в синтетически произведенном метаноле. В большинстве стран метанол в настоящее время обычно производят из синтез-газа, получаемого путем парового риформинга метана (основного компонента природного газа). В Китае, который в 2014 году произвел около 60% мирового метанола, он производится преимущественно из угля. Однако, чтобы быть экономически целесообразным и экологически чистым топливом, он должен производиться из возобновляемого сырья, наиболее значимым из которого является биомасса. Метанол, полученный из биомассы, иногда называют биометанолом. Также были предложены методы производства с использованием углекислого газа в качестве сырья. Этот метод включает реакцию углекислого газа с водородом при высоких температурах и давлении в присутствии катализатора на основе меди. Основным недостатком этого подхода является сложность выделения углекислого газа и водорода в необходимых больших объемах и с высокой степенью чистоты. Технологии получения углекислого газа непосредственно из воздуха находятся в разработке, но пока не коммерциализированы в промышленных масштабах. Компания Carbon Recycling International, исландско-американское предприятие, в 2011 году завершила строительство первого в мире коммерческого завода по производству метанола из возобновляемых источников, использующего углекислый газ в качестве сырья.

Гонки

Чистый метанол требуется по правилам для использования в IndyCar, Monster Trucks, USAC спринтерских автомобилях (а также малых гоночных автомобилях, модифицированных и т. д.), и других сериях кольцевых гонок по грунтовым трассам, таких как World of Outlaws и Motorcycle Speedway, главным образом потому, что в случае аварии метанол не образует непрозрачное облако дыма. С конца 1940-х годов метанол также используется в качестве основного компонента топлива в двигателях радиоуправляемых, управляемых тросом и свободнолетающих моделей самолетов (см. ниже), автомобилей и грузовиков; в таких двигателях используется платиновая спираль, которая воспламеняет пары метанола посредством каталитической реакции. Участники дрэг-рейсинга, гонок по грязи и сильно модифицированные тягачи также используют метанол в качестве основного источника топлива. Метанол обязателен при использовании двигателей с наддувом в Top Alcohol Dragster, и до конца сезона 2006 года все автомобили в Indianapolis 500 должны были работать на метаноле. В качестве топлива для гонок по грязи, смесь метанола с бензином и закисью азота обеспечивает большую мощность, чем бензин и закись азота по отдельности. Начиная с 1965 года, чистый метанол широко использовался в соревнованиях USAC Indy car, которые в то время включали Indianapolis 500. Безопасность была определяющим фактором при переходе на метанольное топливо в гонках с открытыми колесами в США. В отличие от нефтяных пожаров, метанольные пожары можно потушить обычной водой. Метанольный пожар горит невидимо, в отличие от бензина, который горит с видимым пламенем. Если на трассе происходит пожар, отсутствие пламени или дыма не препятствует обзору быстро приближающихся гонщиков, однако это также может задержать визуальное обнаружение пожара и начало его тушения. Авария с участием семи автомобилей во втором круге Indianapolis 500 в 1964 году привела к решению USAC поощрять, а затем и обязать использование метанола. Эдди Сакс и Дэйв Макдональд погибли в аварии, когда их автомобили, работающие на бензине, взорвались. Возникший бензиновый пожар создал опасное облако густого черного дыма, которое полностью заблокировало видимость трассы для встречных автомобилей. Джонни Ратерфорд, один из других гонщиков, участвовавших в аварии, управлял автомобилем на метаноле, который также протекал после столкновения. Хотя этот автомобиль загорелся от удара первого огненного шара, пламя было значительно меньше, чем у бензиновых автомобилей, и горело невидимо. Эти показания, а также давление со стороны журналиста The Indianapolis Star Джорджа Мура, привели к переходу на спиртовое топливо в 1965 году. Метанол использовался в CART на протяжении всей своей истории (1979–2007). Он также используется многими организациями, проводящими гонки на коротких трассах, особенно в малых гоночных автомобилях, спринтерских автомобилях и спидвейных мотоциклах. Чистый метанол использовался IRL с 1996 по 2006 год. В 2006 году IRL, в партнерстве с индустрией этанола, использовала в качестве топлива смесь 10% этанола и 90% метанола. Начиная с 2007 года IRL перешла на "чистый" этанол, E100. Метанольное топливо также широко используется в дрэг-рейсинге, в основном в категории Top Alcohol, в то время как в классах Top Fuel, в дополнение к нитрометану, может использоваться от 10% до 20% метанола. Формула-1 продолжает использовать бензин в качестве топлива, но в гонках Grand Prix довоенного периода часто использовался метанол.

Pure methanol is required by rule to be used in IndyCar, Monster Trucks, USAC sprint cars (as well as midgets, modifieds, etc. ), and other dirt track series, such as World of Outlaws, and Motorcycle Speedway, mainly because, in the event of an accident, methanol does not produce an opaque cloud of smoke. Since the late 1940s, Methanol is also used as the primary fuel ingredient in the powerplants of radio control, control line and free flight model aircraft (see below), cars and trucks; such engines use a platinum filament glow plug that ignites the methanol vapor through a catalytic reaction. Drag racers, mud racers, and heavily modified tractor pullers also use methanol as the primary fuel source. Methanol is required with a supercharged engine in a Top Alcohol Dragster and, until the end of the 2006 season, all vehicles in the Indianapolis 500 had to run on methanol. As a fuel for mud racers, methanol mixed with gasoline and nitrous oxide produces more power than gasoline and nitrous oxide alone. Beginning in 1965, pure methanol was used widespread in USAC Indy car competition, which at the time included the Indianapolis 500. Safety was the predominant influence for the adoption of methanol fuel in the United States open wheel racing categories. Unlike petroleum fires, methanol fires can be extinguished with plain water. A methanol based fire burns invisibly, unlike gasoline, which burns with a visible flame. If a fire occurs on the track, there is no flame or smoke to obstruct the view of fast approaching drivers, but this can also delay visual detection of the fire and the initiation of fire suppression. A seven car crash on the second lap of the 1964 Indianapolis 500 resulted in USAC's decision to encourage, and later mandate, the use of methanol. Eddie Sachs and Dave MacDonald died in the crash when their gasoline fueled cars exploded. The gasoline triggered fire created a dangerous cloud of thick black smoke that completely blocked the view of the track for oncoming cars. Johnny Rutherford, one of the other drivers involved, drove a methanol fueled car, which also leaked following the crash. While this car burned from the impact of the first fireball, it formed a much smaller inferno than the gasoline cars and one that burned invisibly. That testimony, and pressure from The Indianapolis Star writer George Moore, led to the switch to alcohol fuel in 1965. Methanol was used by the CART circuit during its entire campaign (1979–2007). It is also used by many short track organizations, especially midget, sprint cars, and speedway bikes. Pure methanol was used by the IRL from 1996 to 2006. In 2006, in partnership with the ethanol industry, the IRL used a mixture of 10% ethanol and 90% methanol as its fuel. Starting in 2007, the IRL switched to "pure" ethanol, E100. Methanol fuel is also used extensively in drag racing, primarily in the Top Alcohol category, while between 10% and 20% methanol may be used in Top Fuel classes in addition to Nitromethane. Formula One racing continues to use gasoline as its fuel, but in prewar grand prix racing methanol was often used in the fuel.

Морские перевозки

В 2020 году Международная морская организация приняла MSC.1/Circular.1621, кодифицирующий правила использования и требования к метанолу в качестве топлива в ответ на его растущее применение в морской и судоходной отраслях. По состоянию на 2023 год около 100 судов, работающих на метаноле, были заказаны ключевыми игроками отрасли, включая Maersk, COSCO Shipping и CMA CGM. Большинство этих судов оснащены двигателями двойного назначения, то есть способны сжигать как бункерное топливо, так и метанол. Текущие проблемы, связанные с использованием метанола в качестве топлива, касаются стоимости, доступности и нормативных требований по выбросам. Переоборудование нефтяного танкера для работы на метаноле может стоить около 1,6 млн долларов США. Доступность "зеленого" метанола (производимого из ресурсов с нулевым или отрицательным углеродным следом, таких как биомасса) в настоящее время ограничена и почти вдвое превышает цену бункерного топлива. Однако считается, что ускорение производства возобновляемого метанола не является сложной глобальной задачей, и многие в отрасли полагают, что производство может естественным образом расти по мере поступления новых заказов на суда, работающие на метаноле. Его горелки и баллоны не требуют регуляторов или трубопроводов. Однако употребление всего 10 мл может вызвать слепоту, а 60–100 мл – привести к летальному исходу при отсутствии лечения. Как и многие летучие химические вещества, включая этанол и бензин, метанол может повреждать кожу, глаза и легкие при воздействии значительных количеств. Хроническое воздействие таких больших количеств может привести к долгосрочным системным последствиям для здоровья, аналогичным последствиям отравления метанолом легкой степени, если не проводить лечение. Максимально допустимая концентрация в воздухе (40 ч/нед) в США составляет 1900 мг/м3 для этанола, 900 мг/м3 для бензина и 1260 мг/м3 для метанола. Однако метанол гораздо менее летуч, чем бензин, и поэтому имеет более низкие испарительные выбросы, что снижает риск воздействия при аналогичном разливе. Хотя пути воздействия токсичности метанола несколько отличаются, его фактическая токсичность не превышает токсичность бензола или бензина, а отравление метанолом гораздо легче успешно лечить. Существенная проблема заключается в том, что отравление метанолом обычно необходимо лечить, пока оно еще бессимптомно, для полного выздоровления. Риск вдыхания снижается благодаря характерному резкому запаху. При концентрациях выше 2000 ppm (0,2%) запах обычно хорошо ощущается, однако более низкие концентрации могут оставаться незамеченными, сохраняя при этом потенциальную токсичность при длительном воздействии и представляя опасность пожара/взрыва. Это аналогично бензину и этанолу; для метанола существуют стандартные правила техники безопасности, которые очень похожи на правила для бензина и этанола. Использование метанольного топлива снижает выбросы определенных токсинов, связанных с углеводородами, таких как бензол и 1,3-бутадиен, и значительно уменьшает долгосрочное загрязнение грунтовых вод, вызванное разливами топлива. В отличие от топлив на основе бензола, метанол быстро и нетоксично биоразлагается, не нанося долгосрочного вреда окружающей среде, при условии достаточного разбавления.

In 2020, the International Maritime Organization adopted MSC.1/Circular.1621 codifying the proper usage and provisions for methanol as a fuel, in response to its growing usage in the maritime and shipping industries. As of 2023, roughly 100 methanol burning ships have been ordered by key players in the industry including Maersk, COSCO Shipping, CMA CGM The majority of these ships contain dual fuel engines, meaning they are capable of burning both bunker fuel and methanol. Current challenges facing methanol as a fuel surround cost, availability, and emissions regulations. Retrofitting an oil barge to methanol can cost approximately $1.6M. The availability of green methanol (which is produced through zero or negative carbon resources such as biomass) is currently limited and nearly twice the price of bunker fuel. However, accelerating the production of renewable methanol has been said to not be a significant global challenge, with many in the industry speculating that production could grow naturally as orders for methanol ships continue to be made. Its stove and canister need no regulators or pipes. Ingestion of 10 mL, however, can cause blindness and 60–100 mL can be fatal if the condition is untreated. Like many volatile chemicals, including ethanol and gasoline, methanol can damage skin, eyes, and lungs if exposed to substantial quantities. Those chronically exposed to such large quantities are at risk of developing long term systemic health effects similar to low grade methanol poisoning if left untreated. US maximum allowed exposure in air (40 h/week) is 1900 mg/m3 for ethanol, 900 mg/m3 for gasoline, and 1260 mg/m3 for methanol. However, it is much less volatile than gasoline and therefore has lower evaporative emissions, producing a lower exposure risk for an equivalent spill. While methanol offers somewhat different toxicity exposure pathways, the effective toxicity is no worse than those of benzene or gasoline, and methanol poisoning is far easier to treat successfully. One substantial concern is that methanol poisoning generally must be treated while it is still asymptomatic for a full recovery. Inhalation risk is mitigated by a characteristic pungent odor. At concentrations greater than 2,000 ppm (0.2%) it is generally quite noticeable, however, lower concentrations may remain undetected while still being potentially toxic over longer exposures, and may still present a fire/explosion hazard. Again, this is similar to gasoline and ethanol; standard safety protocols exist for methanol and are very similar to those for gasoline and ethanol. The use of methanol fuel reduces the exhaust emissions of certain hydrocarbon related toxins such as benzene and 1,3 butadiene and dramatically reduces long term groundwater pollution caused by fuel spills. Unlike benzene family fuels, methanol will rapidly and non toxically biodegrade with no long term harm to the environment as long as it is sufficiently diluted.

Пожарная безопасность

Метанол гораздо сложнее воспламенить, чем бензин, и горит примерно на 60% медленнее. Пожар, вызванный метанолом, выделяет энергию примерно на 20% меньше, чем бензиновый пожар, что приводит к менее горящему пламени. Это делает пожар значительно менее опасным и более легким в локализации при соблюдении соответствующих протоколов. В отличие от бензиновых пожаров, вода является приемлемым и даже предпочтительным средством пожаротушения для метанола, поскольку она одновременно охлаждает огонь и быстро разбавляет топливо до концентрации, при которой оно не будет поддерживать самовоспламенение. Эти факты означают, что метанол, как автомобильное топливо, обладает значительными преимуществами в безопасности по сравнению с бензином. Этанол разделяет многие из этих преимуществ. Поскольку пары метанола тяжелее воздуха, они будут скапливаться у земли или в углублениях, если нет достаточной вентиляции, и при концентрации метанола в воздухе выше 6,7% он может воспламениться от искры и взорваться при температуре выше 54°F / 12°C. После воспламенения неразбавленный пожар метанола излучает очень мало видимого света, что может затруднить обнаружение огня или даже оценку его размеров при ярком дневном свете, хотя в большинстве случаев существующие загрязнения или горючие материалы в очаге пожара (например, шины или асфальт) будут окрашивать пламя и повышать его видимость. Этанол, природный газ, водород и другие виды топлива представляют собой аналогичные проблемы пожарной безопасности, и для всех них существуют стандартные протоколы безопасности и пожаротушения. Уменьшение экологического ущерба после аварии облегчается тем, что метанол низкой концентрации биоразлагаем, малотоксичен и не накапливается в окружающей среде. После пожара для очистки часто требуется лишь большое количество воды для разбавления пролитого метанола, за которым следует откачка или абсорбция жидкости. Любой метанол, который неизбежно попадет в окружающую среду, окажет незначительное долгосрочное воздействие и при достаточном разбавлении быстро разложится, не причинив существенного вреда окружающей среде из-за токсичности. Разлив метанола, смешанный с существующим разливом бензина, может привести к тому, что смешанный разлив метанола и бензина будет сохраняться примерно на 30–35% дольше, чем разлив только бензина.

Methanol is far more difficult to ignite than gasoline and burns about 60% slower. A methanol fire releases energy at around 20% of the rate of a gasoline fire, resulting in a much cooler flame. This results in a much less dangerous fire that is easier to contain with proper protocols. Unlike gasoline fires, water is acceptable and even preferred as a fire suppressant for methanol fires, since this both cools the fire and rapidly dilutes the fuel below the concentration where it will maintain self flammability. These facts mean that, as a vehicle fuel, methanol has great safety advantages over gasoline. Ethanol shares many of these same advantages. Since methanol vapor is heavier than air, it will linger close to the ground or in a pit unless there is good ventilation, and if the concentration of methanol is above 6.7% in the air it can be lit by a spark and will explode above 54 F / 12 C. Once ablaze, an undiluted methanol fire gives off very little visible light, making it potentially very hard to see the fire or even estimate its size in bright daylight, although, in the vast majority of cases, existing pollutants or flammables in the fire (such as tires or asphalt) will color and enhance the visibility of the fire. Ethanol, natural gas, hydrogen, and other existing fuels offer similar fire safety challenges, and standard safety and firefighting protocols exist for all such fuels. Post accident environmental damage mitigation is facilitated by the fact that low concentration methanol is biodegradable, of low toxicity, and non persistent in the environment. Post fire cleanup often merely requires large additional amounts of water to dilute the spilled methanol followed by vacuuming or absorption recovery of the fluid. Any methanol that unavoidably escapes into the environment will have little long term impact, and with sufficient dilution will rapidly biodegrade with little to no environmental damage due to toxicity. A methanol spill that combines with an existing gasoline spill can cause the mixed methanol/gasoline spill to persist about 30% to 35% longer than the gasoline alone would have done.

Использование

В 2019 году было использовано почти 100 миллионов тонн метанола, главным образом для производства химической продукции.

Соединенные Штаты

В штате Калифорния с 1980 по 1990 год была проведена экспериментальная программа, которая позволила любому переоборудовать бензиновый автомобиль для работы на 85% метаноле с 15% добавками по выбору. Более 500 автомобилей были переведены на высококомпрессионный двигатель и использование топливной смеси из 85% метанола и 15% этанола. В 1982 году трем крупнейшим автопроизводителям было выделено по 5 миллионов долларов на проектирование и заключение контрактов на поставку государству 5 тысяч автомобилей. Это было одним из первых примеров использования автомобилей с гибким топливом и низким сжатием. В 2005 году губернатор Калифорнии Арнольд Шварценеггер прекратил использование метанола, поддержав расширяющееся использование этанола, продвигаемое производителями кукурузы. В 2007 году цена этанола составляла от 3 до 4 долларов за галлон (0,8–1,05 доллара за литр) на заправке, в то время как метанол, получаемый из природного газа, стоил 47 центов за галлон (12,5 центов за литр) оптом, не на заправке. В настоящее время в Калифорнии нет действующих автозаправочных станций, предлагающих метанол. Член Палаты представителей Элиот Энгель [демократ от штата Нью-Йорк] представил в Конгресс законопроект "Об открытом топливном стандарте": "Обязать производителей автомобилей обеспечивать возможность работы не менее 80 процентов производимых или продаваемых в Соединенных Штатах автомобилей на топливных смесях, содержащих 85 процентов этанола, 85 процентов метанола или биодизеля".

Европейский союз

Измененная Директива о качестве топлива, принятая в 2009 году, допускает добавление до 3% по объему метанола в бензин.

Бразилия

В Бразилии стремление добавить ощутимый процент метанола в бензин почти реализовалось после пилотного испытания, организованного группой ученых в период с 1989 по 1992 год, в ходе которого бензин смешивали с метанолом. Более масштабный пилотный эксперимент, планировавшийся в Сан-Паулу, был в последний момент заблокирован мэром города из-за опасений за здоровье работников автозаправочных станций, которым не ожидалось соблюдение правил техники безопасности. По состоянию на 2006 год эта идея больше не поднималась.

Индия

3 августа 2018 года центральный планировочный институт Индии Niti Aayog объявил, что при наличии возможности пассажирские автомобили будут использовать бензин с 15%-ным содержанием метанола. В настоящее время в Индии автомобили используют топливо, содержащее до 10% этанола. В случае одобрения правительства это позволит снизить ежемесячные затраты на топливо на 10%. В 2021 году стоимость этанола составляла 60 рупий за литр, в то время как цена метанола оценивалась менее чем в 25 рупий за литр.