Метанол как топливо в двигателях внутреннего сгорания (ДВС)

В отличие от бензина, который является сложной смесью различных углеводородов, содержащей некоторые добавки, метанол - простое химическое соединение. По энергосодержанию он в два раза уступает бензину. Это означает, что 2 л метанола содержат такое же количество энергии, как 1 л бензина. Однако, хотя метанол содержит меньше энергии, чем бензин, его октановое число (100) выше, чем у бензина. Данное число представляет собой среднее из октановых характеристик, полученных по исследовательскому (107) и моторному (92) методам. Это означает, что горючую смесь перед воспламенением можно сжать до меньшего объема. Это позволяет двигателю работать при более высокой степени сжатия (10- 11)/1 [по сравнению с (8-9)/1 для бензинового двигателя] и таким образом повысить эффективность по сравнению с бензиновым двигателем. Эффективность также увеличена за счет повышения «скорости распространения пламени», которая обеспечивает более быстрое и более полное сгорание топлива в цилиндрах. Опираясь на эти факторы, можно объяснить, почему для двигателя одной и той же мощности не нужно брать в два раза больше метанола, чем бензина, хотя по энергетической плотности метанол в два раза хуже бензина. Это правило соблюдается даже и для тех двигателей, которые не были специально сконструированы под метанольное топливо, а представляют собой слегка модифицированные бензиновые двигатели. Тем не менее двигатели, разработанные под метанольное топливо, обеспечивают более значительную экономию топлива . Скрытая теплота испарения метанола приблизительно в 3,7 раза выше, чем у бензина, поэтому при переходе из жидкости в газообразное состояние метанол поглощает намного больше тепла. Это облегчает отвод тепла от двигателя и дает возможность использовать для охлаждения воздушные радиаторы вместо более тяжелых систем с водяными рубашками.

Можно ожидать, что в будущем равноценной заменой автомобилей с бензиновыми двигателями станут машины, спроектированные для работы на метаноле, оснащенные меньшим по размеру и более легким блоком цилиндров. Они будут отличаться более мягкими требованиями к системе охлаждения, лучшим ускорением и дальностью пробега . Кроме того, для транспортных средств, работающих на метаноле, характерна низкая концентрация выбросов в воздух таких загрязнителей, как углеводороды, NO x , S0 2 и твердые частицы.

Некоторые проблемы, вытекающие главным образом из особенностей химических и физических свойств метанола, пока еще ждут своего решения. Метанол, как, впрочем, и этанол, смешивается с водой в любых соотношениях. Он отличается большим дипольным моментом, а также высокой диэлектрической проницаемостью и поэтому является хорошим растворителем для соединений с ионными связями, такими как кислоты, основания, соли (все они усугубляют проблемы коррозии) и некоторые пластмассовые материалы. С другой стороны, надо иметь в виду, что бензин, как мы уже отмечали, представляет собой сложную смесь углеводородов, большинство из которых отличаются низким дипольным моментом, низкой диэлектрической проницаемостью и неспособностью смешиваться с водой. Поэтому бензин является хорошим растворителем для неполярных соединений, образующих ковалентные связи.

Можно с уверенностью сказать, что из-за различий в химических свойствах бензина и метанола некоторые материалы, используемые для заправки и хранения бензина, для изготовления устройств и соединительных элементов, зачастую окажутся неподходящими для работы с метанолом. Так, метанол может вызвать коррозию некоторых металлов, в число которых входит алюминий, цинк и магний, хотя он не действует на сталь или чугун . Метанол может также реагировать с некоторыми изделиями из пластмассы, покрышками и прокладками, в результате чего они размягчаются, вздуваются или становятся ломкими и разрушаются, что в конечном счете приводит к утечкам или нарушениям в работе. Поэтому, системы, спроектированные только для использования метанола, должны отличаться от систем, рассчитанных на работу с бензином, хотя разница в цене вряд ли будет заметна. Уже сейчас существуют некоторые виды масел и смазок для двигателей, которые совместимы с метанолом, но разработки этих материалов должны продолжаться.

При использовании чистого метанола могут возникнуть проблемы с запуском из холодного состояния, потому что в таком топливе отсутствуют легколетучие соединения (бутан, изобутан, пропан), которые содержатся в бензине и которые обеспечивают подачу легковоспламеняющихся паров в двигатель даже в самых холодных условиях . Эту проблему чаще всего решают путем добавления в метанол более летучих компонентов. Так, например, в транспортных средствах с гибкой топливной системой используется смесь М85, содержащая 15% бензина. Содержание паров в ней вполне достаточно для запуска двигателя даже в самых холодных климатических условиях. Другой вариант предусматривает создание дополнительного устройства для испарения или распыления метанола на мельчайшие капельки, которые легче воспламеняются. Технические проблемы всегда возникают при разработке любых новых технологий. Однако технические трудности, стоящие на пути внедрения метанола в качестве компонента топливных смесей или заменителя бензина в транспортных средствах с ДВС, относятся к числу достаточно легко решаемых проблем и, более того, для большинства проблем решения уже найдены.

Мировой топливный кризис, из-за которого подскочили цены на бензин и дизтопливо, вновь заставляет задуматься об иных источниках энергии для транспортных средств. Неплохая альтернатива традиционному топливу - спирт. Чем хорош такой заменитель и что сделать, чтобы автомобильный двигатель смог на нем работать?

Спирт обладает целым рядом преимуществ по сравнению с нефтяным топливом, и только большая стоимость, малая теплоотводность, высокая гигроскопичность и повышенное содержание альдегидов препятствуют его массовому применению в качестве топлива для ДВС. А достоинства спирта следующие.

	Высокие антидетонационные свойства (октановое число - более 100). Введение этанола в бензин обеспечивает повышение октанового числа. Каждые 3% этанола в смеси с бензином обеспечивают повышение октанового числа горючего в среднем на 1 единицу. То есть спирт может быть использован в качестве высокооктановой добавки к топливу. Он повышает и детонационную стойкость горючего, так как температура самовоспламенения чистого бензина составляет 290°С, а его смеси с этанолом - 425°С.
	Процесс испарения начинается во впускном трубопроводе и заканчивается в цилиндре при ходе сжатия, обеспечивая охлаждение деталей двигателя - поршней и клапанов - и более полное наполнение цилиндров свежим зарядом (компрессорный эффект с 5-процентным увеличением мощности).
	Надежное воспламенение от электрической искры при значительных изменениях состава горючей смеси (диапазон воспламеняемости по коэффициенту избытка воздуха для спирта составляет примерно 0,4…1,7).
	КПД двигателя, работающего на чистом спирте, выше, чем при использовании бензина.
	Меньшая токсичность отработавших газов.
	Низкая пожароопасность.

Адаптация ДВС

Существуют два способа применения спирта в качестве горючего для автомобильных моторов - при частичной (до 20%) и при полной замене бензина и дизельного топлива. Высокие антидетонационные качества определяют преимущественное использование спирта в двигателях внутреннего сгорания с принудительным (искровым) зажиганием. Стандартный двигатель не нужно переделывать для работы на бензо-спиртовой смеси.

На АО «АвтоВАЗ» были проведены испытания бензина АИ-95 с 10-процентным содержанием этанола на токсичность, расход топлива и обеспечение динамики автомобиля без перерегулировки двигателя. Было установлено, что добавка к бензину 10% спирта приводит к обеднению топливовоздушной смеси и незначительно ухудшает ездовые качества машины практически на всех режимах движения. При переходе на АИ-95Э с 10-процентным содержанием этанола требуется перерегулировка карбюратора.

Согласно результатам стендовых испытаний «АвтоВАЗа», применение бензина АИ-95Э с 5-процентным содержанием спирта не приводит к ухудшению эксплуатационных характеристик автомобиля и не требует изменения исходных регулировок двигателя.

А вот для работы на чистом спирте требуется увеличение вместимости топливного бака и степени сжатия до 12 - 14 ед. (чтобы полностью использовать детонационную стойкость топлива) и перерегулировка карбюратора или перепрограммирование ЭБУ инжекторного двигателя. Горючую смесь необходимо немного обогатить: для сгорания 1 кг спирта требуется 9 кг воздуха, а для сгорания 1 кг бензина - 14,93 кг.

Низкое давление насыщенных паров и высокая теплота испарения спирта делают практически невозможным запуск бензиновых двигателей уже при температуре окружающей среды ниже +10°С. Для улучшения пусковых качеств в спирт добавляют 4 - 6% изопентана (С5Н12) или 6 - 8% диметилового эфира (СН3-О-СН3 или С2Н6О), что обеспечивает нормальный пуск двигателя при температуре от -25°С и выше. Для этой же цели спиртовые моторы оборудуют специальными пусковыми подогревателями. В случае неустойчивой работы двигателя при повышенных нагрузках (из-за плохого испарения спирта) применяется дополнительный подогрев топливной смеси с помощью, например, отработавших газов.

Дизель и спирт

Адаптировать дизельный мотор для сжигания в его цилиндрах спирта гораздо сложнее. Венским техническим университетом были проведены экспериментальные исследования на 4-цилиндровом тракторном дизеле фирмы Steyr.

Ввиду того, что цетановое число этанола низкое, двигатель был дополнительно оснащен электронной системой зажигания, а головку цилиндров модернизировали для размещения свечей зажигания. Кроме того, была изменена геометрическая форма камеры сгорания в днище поршня, установлены новые топливный насос высокого давления, форсунки и топливоподкачивающий насос повышенной производительности. Исследования показали, что дизель работает на этаноле практически бездымно. По сравнению с работой на дизельном топливе выброс NOx снижается, что является результатом уменьшения температуры вследствие повышенной теплоты испарения этанола. Выброс СО такой же, как у бензинового ДВС, выброс СН относительно высок, однако может быть радикально снижен при применении простейшего окислительного нейтрализатора. При переходе на дизельное горючее дымность и расход топлива у переоборудованного дизеля значительно выше, чем первоначально. Объемный расход у этанола почти в 2 раза больше, чем у дизельного топлива, что является следствием его более низкой теплоты сгорания, а удельный приведенный расход лишь немногим выше.

Модернизировать двигатель могут не только автопроизводители, но и специализированные фирмы. Например, в США бензиновые двигатели и дизели для работы на альтернативном топливе переоборудует фирма Jasper Engines and Transmissions. Переделываются моторы от 8-цилиндровых V-образных до рядных 6- и 4-цилиндровых. После переоборудования двигатели могут работать на метаноле, этаноле, сжатом и сжиженном природном газах.

Мировой опыт

Идея использования спирта в качестве топлива не нова. Самый богатый опыт его применения в ДВС имеет Бразилия. После мирового нефтяного кризиса 1973 - 75 годов в этой стране в начале 80-х приняли программу «Топливо на основе этанола». В результате здесь до конца прошлого столетия этанол ежедневно заменял до 250 тыс. баррелей импортируемой нефти. В 90-х годах в Бразилии этиловый спирт служил горючим более чем для 7 млн. машин, а его смесь с бензином (газохол) - для еще 9 млн. авто. Этанол в этой стране изготавливают из сахарного тростника, а продают через заправочную сеть, насчитывающую 25 тысяч станций. Вторым мировым лидером по использованию этанола в автотранспорте являются США. Здесь также реализуется программа замены бензина спиртом, который получают при переработке излишков кукурузы и других зерновых культур. Чистый этанол в этой стране используется как горючее в 21 штате, а на бензоэтаноловую смесь приходятся 10% топливного рынка США. Раньше заинтересованность в использовании более дорогого этанола ($60 за баррель) в качестве моторного горючего за рубежом была обусловлена налоговыми льготами. В США они компенсируют продавцам убыток в случае, если те продают этанол по цене бензина. Сейчас, после скачка цен на нефть ($40 - 50 за баррель), с учетом переработки сырья для получения бензина, стоимость этих видов топлива практически сравнялась. Поэтому использование спирта оказалось еще целесообразнее. Применение спирта в качестве топлива получило поддержку и в некоторых европейских странах - в частности, Франции и Швеции. 7 ноября 2001 года две комиссии ЕС приняли так называемые биодирективы относительно использования биотоплива в странах Евросоюза. Они предусматривают обязательное применение этого горючего как добавки к бензину в будущем.

Топливный спирт

Этанол (С2Н5ОН) - винный, или питьевой спирт, являющийся важнейшим представителем одноатомных спиртов. Эта бесцветная жидкость, которая смешивается в любых соотношениях с водой, спиртами, эфирами, глицерином, бензином и другими органическими растворителями, горит бесцветным пламенем. Этанол, обладая высоким октановым числом и энергетической ценностью, является отличным моторным топливом. Для получения бензина АИ-95 требуется добавить в бензин АИ-92 около 10% этанола. Метанол (СН3ОН), или древесный спирт - простейший представитель предельных одноатомных спиртов, бесцветная подвижная жидкость с характерным запахом. Смешивается с водой во всех соотношениях, а также с другими спиртами, бензолом, ацетоном и другими органическими растворителями. Основной способ производства метанола - синтез из водорода и оксида углерода. Сырьем для этого служат природный, коксовый и другие газы, содержащие углеводороды (например, синтез-газ), а также кокс, бурый уголь, древесина, сланцы, биомасса и др.

Характеристики рабочего процесса дизеля при работе на смеси дизтоплива с этанолом и при работе на чистой солярке

Украинские перспективы

В конце июня 2000 года Правительственный комитет по реформированию аграрного комплекса и проблемам экологии одобрил проект государственной программы «Этанол: 2000 - 2010», а также «Программу государственной поддержки развития нетрадиционных и возобновляемых источников энергии и малой гидро- и теплоэнергетики», разработанной в соответствии с Указом Президента Украины № 285 от 2 апреля 1997 года. Кабинет Министров Украины постановлением № 1044 от 4.07.2000 года программу «Этанол» утвердил. Документ предусматривает ускоренный перевод примерно трети автопарка на газохол и этанол. Ресурсы по производству этанола в нашей стране практически неисчерпаемы: из отходов сельского хозяйства, главным образом свекловодства, и переработки импортного тростникового сахара-сырца ежегодно производится свыше 5,5 миллиона декалитров этанола и 300 - 310 тысяч декалитров технических спиртов. Мощности украинских предприятий позволяют выпускать 66 миллионов декалитров таких спиртов в год. В середине июня этого года Украина договорилась с Кубой об увеличении бартерных (в обмен на промышленные изделия) поставок тростникового сырца. По оценкам кубинских специалистов, около 25% этого сырья может использоваться исключительно для производства спиртового и спирто-нефтяного топлива. Программа «Этанол» предусматривает, в частности, перепрофилирование более трети мощностей украинских спиртовых и смежных (перерабатывающих сахарное сырье) заводов на выпуск высокооктановых кислородосодержащих добавок к бензину и техническому спирту - в основном из сельскохозяйственного сырья. Эксперты оценивают это как наиболее перспективное и экономически выгодное решение.

Подготовил Юрий Герасимчук
Фото Сергея Кузьмича

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .

Сравнение физико-химических свойств метанола и бензинов

Метанол как моторное топливо имеет высокое октановое число и низкую пожароопасность. На данный момент наибольшее распространение этот вид топлива получил в США. Уже много лет здесь выпускается наиболее распространенная марка М-85 (85% смесь с бензином), а также М-100 (чистый метанол).

Вопросам использования метанола в качестве топлива в нашей стране уделяется повышенное внимание еще со времен Л.А. Кастандова, который специально для изучения этой проблемы создал самостоятельный институт «ГосНИИметанолпроект». Однако при использовании метанола в качестве топлива возникает ряд проблем технического характера, связанных с существенными различиями свойств метанола и бензинов.

Теплота сгорания метанола в 2,24 раза меньше, чем у бензина. Метанол имеет более высокую скрытую теплоту испарения, низкую упругость паров, низкую температуру кипения, повышенную гигроскопичность и повышенную склонность к образованию с некоторыми составляющими бензина азеотропных смесей, а также повышенную склонность к калильному сжиганию.

Помимо этого, метанол обладает повышенной коррозийной агрессивностью к металлам и некоторым пластмассам. Пары метанола токсичнее паров бензина и вызывают сильные отравления при попадании в организм человека, слепоту и даже летальный исход.

Таким образом, использование чистого метанола в качестве топлива (топливо М-100) для двигателей внутреннего сгорания требует существенной реконструкции двигателя транспортного средства и осторожности в обращении.

В качестве положительных свойств метанола можно указать его высокую детонационную стойкость и более высокие скорости сгорания топливовоздушных смесей. При этом низкая теплота сгорания не снижает мощностных показателей двигателя, так как их определяющим фактором является не теплота сгорания топлива, а теплота сгорания единицы массы топливообразующей смеси, которая у метаноловоздушных смесей на 3-5% выше, чем у бензинов. Стоит сказать, что при этом и метанола требуется в 2,3 раза больше.

Высокая скрытая теплота испарения метанола (в 3,66 раза выше, чем у бензина) оказывает качественное влияние на процесс смесеобразования. В первую очередь, этот факт является причиной худших пусковых качеств холодного двигателя при низких температурах. С другой стороны, это свойство метанола ведет к уменьшению теплонапряженности деталей двигателя и увеличению весового наполнения цилиндров свежим зарядом, что способствует увеличению мощности двигателя.

Кроме всего прочего, при использовании метанола существенно ниже загрязнение атмосферы, ниже нагарообразование на рабочих поверхностях камеры сгорания и меньшее закоксование деталей цилиндропоршневой группы.

Уровень выбросов вредных веществ, при использовании в качестве топлива бензина, М-85 и М-100

Выбросы,мг/км	Бензин	M85	M100
∑Углеводороды (THC)	161,59	111,87	124,30
CO	733,37	683,65	870,11
NOx	490,99	379,12	285,89
Бензол	7,79	4,38	0,32
Толуол	33,66	8,66	2,11
1-3 бутадиен	0,19-0,50	0,44	2,05
Формальдегид	4,78	13,87	21,76
Ацетальдегид	0,94	10,02	0,27

Для использования метанола в качестве топлива необходимо, чтобы цены на него были приемлемы. Сейчас на внутреннем и мировом рынке наблюдаются крайне высокие цены на метанол. Это не способствует широкому его применению в этой области.

Получаемая при помощи данного описания жидкость - метанол (метиловый спирт). Метанол в чистом виде применяется в качестве растворителя и как высокооктановая добавка к моторному топливу, а также как самый высокооктановый (октановое число равно 150) бензин. Это тот самый бензин, которым заправляют баки гоночных мотоциклов и автомобилей. Как показывают зарубежные исследования, двигатель, работающий на метаноле, служит во много раз дольше чем при использовании обычного автобензина, мощность его повышается на 20% (при неизменном рабочем объеме двигателя). Выхлоп двигателя, работающего на этом топливе, экологически чист и при проверке его на токсичность вредные вещества практически отсутствуют.

Малогабаритный аппарат для получения этого топлива прост в изготовлении, не требует особых знаний и дефицитных деталей, безотказен в работе. Его производительность зависит от различных причин, в том числе и от габаритов. Аппарат, схему и описание сборки которого предлагаем вашему вниманию, при Д=75мм дает три литра готового топлива в час, имеет вес около 20 кг, и габариты приблизительно: 20 см в высоту, 50 см в длину и 30 см в ширину.

Внимание: метанол является сильным ядом. Он представляет собой бесцветную жидкость с температурой кипения 65оС, имеет запах, подобный запаху обычного питьевого спирта, и смешивается во всех отношениях с водой и многими органическими жидкостями. Помните о том, что 30 миллилитров выпитого метанола смертельны!

Принцип действия и работа аппарата:

Водопроводная вода подключается к "входу воды" (15) и, проходя далее, разделяется на два потока: один поток через краник (14) и отверстие (С) входит в смеситель (1), а другой поток через краник (4) и отверстие (Ж) идет в холодильник (3), проходя через который вода, охлаждая синтез-газ и конденсат бензина, выходит через отверстие (Ю).

Бытовой природный газ подключается к трубопроводу "Вход газа" (16). Далее газ входит в смеситель (1) через отверстие (Б), в котором, смешавшись с паром воды, нагревается на горелке (12) до температуры 100 - 120оС. Затем из смесителя (1) через отверстие (Д) нагретая смесь газа и водяного пара входит через отверстие (В) в реактор (2). Реактор (2) заполнен катализатором №1, состоящим из 25% никеля и 75% алюминия (в виде стружки или в зернах, промышленная марка ГИАЛ-16). В реакторе происходит образование синтез газа под воздействием температуры от 500оС и выше, получаемой за счет нагрева горелкой (13). Далее нагретый синтез-газ входит через отверстие (Е) в холодильник (З), где он должен охладиться до температуры 30-40оС или ниже. Затем охлажденный синтез-газ через отверстие (И) выходит из холодильника и через отверстие (М) входит в компрессор (5), в качестве которого можно использовать компрессор от любого бытового холодильника. Далее сжатый синтез-газ с давлением 5-50 через отверстие (Н) выходит из компрессора и через отверстие (О) поступает в реактор (6). Реактор (6) заполнен катализатором №2, состоящим из стружки 80% меди и 20% цинка (состав фирмы "ICI", марка в России СНМ-1). В этом реакторе, который является самым главным узлом аппарата, образуется пар синтез-бензина. Температура в реакторе не должна превышать 270оС, что можно проконтролировать градусником (7) и регулировать краником (4). Желательно поддерживать температуру в пределах 200-250оС, можно и ниже. Затем пары бензина и не прореагировавший синтез-газ через отверстие (П) выходят из реактора (6) и через отверстие (Л) входят в холодильник (З), где пары бензина конденсируют и через отверстие (К) выходят из холодильника. Далее конденсат и не прореагировавший синтез-газ входят через отверстие (У) в конденсатор (8), где накапливается готовый бензин, который выходит из конденсатора через отверстие (Р) и краник (9) в какую-либо емкость.

Отверстие (Т) в конденсаторе (8) служит для установки манометра (10), который необходим для контроля давления в конденсаторе. Оно поддерживается в пределах 5-10 атмосфер или больше в основном с помощью краника (11) и частично краника (9). Отверстие (Х) и краник (11) необходимы для выхода из конденсатора не прореагировавшего синтез газа, который идет на рециркуляцию обратно в смеситель (1) через отверстие (А). Краник (9) регулируют так, чтобы постоянно выходил чистый жидкий бензин без газа. Лучше будет, если уровень бензина в конденсаторе будет увеличиваться, чем уменьшаться. Но самый оптимальный случай, когда уровень бензина будет постоянным (что можно проконтролировать путем встроенного стекла или какого-либо другого способа). Краник (14) регулируют так, чтобы в бензине не было /воды/ и в смесителе пара образовывалось лучше меньше, чем больше.

Запуск аппарата:

Открывают доступ газа, вода (14) пока закрыта, горелки (12), (13) работают. Краник (4) полностью открыт, компрессор (5) включен, краник (9) закрыт, краник (11) полностью открыт.

Затем приоткрывают краник (14) доступа воды, а краником (11) регулируют нужное давление в конденсаторе, контролируя его манометром (10). Но не в коем случае не закрывайте краник (11) полностью!!! Далее, минут через пять, клапаном (14) доводят температуру в реакторе (6) до 200-250оС. Затем чуть-чуть приоткрывают краник (9), из которого должна пойти струя бензина. Если она будет идти постоянно - приоткройте краник больше, если будет идти бензин в смеси с газом - приоткройте краник (14). Вообще, чем на большую производительность настроите аппарат, тем лучше. Содержание воды в бензине (метаноле) вы можете проверить с помощью спиртометра. Плотность метанола равна 793 кг/м3.
Данный аппарат желательно изготавливать из нержавеющей стали или железа. Все детали изготовлены из труб, в качестве тонких соединительных труб можно использовать медные трубки. В холодильнике необходимо сохранить соотношение X:Y=4, то есть, например, если X+Y=300 мм, то X должно быть равно 240 мм, а Y, соответственно, 60 мм. 240/60=4. Чем больше витков уместится в холодильнике с той и с другой стороны, тем лучше. Все краники применены от газосварочных горелок. Вместо краников (9) и (11) можно использовать редукционные клапана от бытовых газовых баллонов или капиллярные трубки от бытовых холодильников. Смеситель (1) и реактор (2) нагреваются в горизонтальном положении (смотрите чертеж).

Синтез метанола из природного газа является одним из наиболее эффективных и экологически безопасных существующих технологических процессов. Современные заводы по превращению природного газа в метанол могут работать с тепловым КПД, превышающим 71%, и почти самодостаточны. Они настолько чисты, что один из поставщиков процесса заявляет, что большая часть выбросов в атмосферу производится бензиновыми и дизельными транспортными грузовиками и автофургонами, обслуживающими завод, нежели самим заводом.

Кроме того, правильно сконфигурированные метаноловые заводы могут принести реальную пользу, потребляя углекислый газ из других источников, которые должны обоснованно повысить их приемлемость для сторонников защиты окружающей среды.

Метанол является вторым наиболее важным химическим промежуточным веществом после этана/этилена. Его значение в последние годы возросло в связи с изменением конфигурации НПЗ, поскольку сырая нефть во всем мире постепенно, но неизбежно становится тяжелее. Метанол очень важен как химическое сырье, но его применение в качестве моторного топлива является более перспективным.

В этой статье мы рассеем два мифа о метаноле как моторном топливе: 1) что метанол обладает более высокой токсичностью, чем другие виды моторного топлива и 2) что меньшая удельная энергия метанола представляет собой серьезную проблему.

Здоровье, безопасность и окружающая среда - преимущества метанола

Некоторые эксперты выделяют метанол как нейротоксин, хотя этанол также является известным нейротоксином, как и некоторые из веществ, обычно присутствующие в бензине. Многие будут удивлены, узнав о том, что и этанол, и бензин обычно смертельны при более низких дозах, чем метанол. Кроме того, метанол, как правило, превосходит по всем другим аспектам здоровья, безопасности и защиты окружающей среды. В грунтовых водах он имеет период полураспада 1-7 дней, что в 10-100 раз меньше, чем у некоторых веществ, содержащихся в бензине.

Метаноловое топливо было принято для гоночных трасс - в основном по причине большей безопасности; их превосходные рабочие характеристики являлись всего лишь дополнительным бонусом. Метанол горит в пять раз медленнее бензина, и его гораздо легче потушить. По оценке Агентства по охране окружающей среды EPA, применение метанола приведет к 95-процентному сокращению числа жертв вследствие возгорания транспортных средств.

Транспортные средства на метаноловом топливе с более низкой температурой сгорания выделяют немного меньше углекислого газа, значительно меньше углеводородов и гораздо меньше соединений NOx по сравнению с их бензиновыми аналогами. Это особенно привлекает, так как NOx являются самыми жесткими критериями сокращения загрязнений. Метанольное топливо могло бы исключить громоздкие, потребляющие мочевину системы селективного каталитического восстановления, в настоящее время устанавливаемые на большинстве дизельных двигателей.

Удельная энергия

Другой распространенной выдумкой является то, что более низкая удельная энергия метанола предопределяет ему более низкий статус среди потенциальных моторных топлив. При правильной оптимизации систем некоторые виды топлива, в частности метанольного, могут быть преобразованы в механическую энергию с гораздо более высокой эффективностью, чем другие.

Даже те транспортные средства, которые разработаны как бензиновые или многотопливные автомобили, должны отчасти уметь пользоваться преимуществами высокого октанового числа метанола и достигать повышения пробега в большей степени, чем это предполагалось только от энергоемкости. Один гражданин преобразовал свой автомобиль на 100-процентное метаноловое топливо путем корректировки программного обеспечения управления двигателем и замены на 41-центовое топливное уплотнение. Мощность этого автомобиля возросла на 10%, а экономия топлива в долларах на одну милю повысилась на 40% по сравнению с бензином. Соответствующие целевому назначению транспортные средства (то есть не многотопливные или работающие на преобразованном традиционном топливе) должны показать гораздо лучшие результаты.

Некоторые дальнобойщики модернизируют свои транспортные средства метаноло-водяными системами впрыска в немодифицированных иным образом дизельных двигателях, получая значительный рост экономии от 20 до 30% по сравнению с дизельным топливом! Это значительная сумма для автомобилей, которые потребляют примерно 20000 галлонов топлива в год. Измеренная мощность увеличивается до 75%, а крутящий момент на 65%: поистине сногсшибательные цифры.

Специализированные транспортные средства на базе метанола могут работать на 25-30% эффективнее, чем традиционные бензиновые двигатели, и примерно с такой же отдачей, что и дизельные двигатели. Текущие цены на метанол, принимая во внимание четность энергетических уровней, эквивалентны $2,60/галлон оптового бензина. Но если метанол на 25% эффективнее, чем бензин, соответствующая оптовая цена метанола в бензиновом эквиваленте составляет $2,09. На момент написания статьи оптовая цена на бензин составляет $3,10. Но как метанол ведет себя в сравнении с конкурентными видами топлива?

Метанол по сравнению со сжиженным природным газом (СПГ)

СПГ, без сомнения, может приводить в движение транспортные средства. Однако в случае потребительских легковых автомобилей по цене большего веса, более низкого запаса хода, длительного времени заправки, а также более низкой грузоподъемности, значительно большей стоимости автомобиля и крупных доработок и инвестиций, необходимых для инфраструктуры заправки. Переход легковых автомобилей на СПГ почти в 30-40 раз дороже, чем на метанол. Единственный коммерчески доступный легковой автомобиль на базе СПГ - Honda Civic GX продается на $7500 дороже аналогично оснащенного бензинового Civic. Станции заправки СПГ стоят примерно вдвое дороже, чем жидкие заправочные станции.

Метанол по сравнению с этанолом

Этанол сравним с метанолом по своим потребительским транспортным рабочим характеристикам, но нет никакого проверенного процесса превращения газа в этанол, сопоставимого по эффективности с превращением газа в метанол. И общественный энтузиазм, и государственные субсидии на производство этанола на базе кукурузы иссякают.

Компания Celanese объявила о технологии, которая обещает эффективность превращения газа в этанол, сравнимую с существующими технологиями превращения газа в метанол. Но она остается непроверенной в коммерческих масштабах, являясь запатентованной технологией. Между тем высокоэффективная технология превращения газа в метанол доступна у нескольких поставщиков и прошла многолетнюю проверку в коммерческих масштабах.

Метанол по сравнению с традиционными видами моторного топлива

Остается вопрос, способен ли метанол конкурировать с традиционными видами бензинового и дизельного топлива. В нынешних условиях ответом будет безоговорочное "да". Современный интерес к метанолу начался в 1976 году - в качестве замены свинца как октаноповышающей присадки. Один из результатов - Калифорнийская программа автомобилей на базе метанола M85 (85% метанола, 15% добавки, как правило, бензина), которая проходила с 1982 по 2005 год. Вначале это были специализированные транспортные средства на базе метанола (не многотопливные), охватывающие весь ряд от легковых автомобилей до микроавтобусов и автобусов.

Проводились тщательное обслуживание и записи как по транспортным средствам на базе метанола, так и по контрольной группе бензиновых автомобилей. Пробег на метаноле оказался ниже, но характеристики выбросов у транспортных средств на метаноле были на том же уровне или даже лучше.

Метаноловые выбросы оказались менее благоприятны в отношении образования озона. Ускорение транспортных средств на базе метанола от 0 до 100 км/ч происходило почти на одну секунду быстрее, чем у бензиновых транспортных средств, что было значительным улучшением.

Программа была прекращена в 2005 году. Некоторые ссылаются на прекращение Калифорнийской программы как доказательство непригодности метанола в качестве моторного топлива, но на самом деле владельцы транспортных средств были удовлетворены работой своих автомобилей. Их главным возражением был недостаток заправочных станций - на территории всего государства их было установлено только 100. В результате в 1992 году программа переключилась на транспортные средства на базе топлива M85. Без сомнения, было трудно поддержать программу в период, когда цены на нефть шли на убыль или были низкими. Возможно, отсутствие метанола в естественной среде, в отличие от этанола на базе кукурузы, было самым значительным фактором. В 1989 году Агентство по охране окружающей среды EPA поставило метанол в невыгодное положение, отказавшись от требований в отношении выбросов паров этанола, но не метанола. Никаких обоснований этой акции нет.

Технически до 15% метанола можно использовать в бензине без каких-либо модификаций и до 100% при ориентировочной стоимости всего $210 за новые многотопливные автомобили (хотя, как уже упоминалось, то же самое можно делать с гораздо меньшими затратами). Эти скромные затраты, по всей вероятности, были бы незначительными при массовом производстве транспортных средств на базе метанола. Поскольку метанол является жидкостью, как и используемые в настоящее время виды топлива, существующую заправочную инфраструктуру можно преобразовать в метанольную с небольшими модификациями. Новые метаноловые автозаправочные станции, вероятно, будут лишь на толику дороже, чем традиционные.

Хотя данная статья сфокусирована на легковых автомобилях, где метанол явно превалирует над альтернативами, и, по крайней мере, способен конкурировать с традиционными видами топлива, отметим предложения по замене тяжелых дизельных двигателей метаноловыми двигателями внутреннего сгорания с искровым зажиганием. Исключительно высокое октановое число метанола могло бы двигатели эквивалентного выхода при половине рабочего объема сегодняшних дизельных "бегемотов" привести к экономии в весе и повышению эффективности на дорогах от 4 до 9%.

США и Китай

США в данный момент наращивают производство метанола. Со времени резкого роста цен на природный газ в 2000-х годах американская промышленность метанола когда-то мирового класса в настоящее время импортирует около 80% внутреннего спроса. Но теперь, при самых низких ценах на природный газ за пределами Ближнего Востока, США вновь станут основным производителем метанола. Два завода были запущены вновь, один переместился из Чили, и один крупный потребитель метанола объявил о строительстве нового завода.

К 2015 году США приблизятся к возможности обеспечивать свой собственный спрос. Другие заявления о новых заводах, скорее всего, будут сделаны в ближайшие месяцы, что может привести к тому, что США вновь смогут производить метанол на экспорт.

В то время как США терпят фиаско с этанолом на базе кукурузы, Китай движется вперед быстрыми темпами в производстве метанолового моторного топлива. Доступны метаноловые смеси от M5 до M100, M15 из них наиболее популярная. В 2007 году насчитывалось 770 метаноловых автозаправочных станций; текущие показатели, вероятно, во много раз превышают это число. Рост обеспечен малыми и региональными компаниями - PetroChina и Sinopec не проявляют большого интереса ввиду избытка у них перерабатывающих мощностей. Но фактические объемы, по всей вероятности, намного превышают официальный спрос на метанольное моторное топливо, поскольку экономика топливных метаноловых смесей является очень привлекательной. Общеизвестно, что свободный рынок в Китае является живым и здоровым. Плохо, что в США метанол загнан в угол из-за пристрастия к этанолу и возведения преград перед ним. Несмотря на достаточно прохладное отношение, а, возможно, и неприятие со стороны местных крупных компаний, в Китае, наиболее быстро растущем рынке моторных топлив в мире, были внедрены стандарты M15 и M85.

Другие преимущества. Будущее

Каков потенциал того, что метанол, получаемый из природного газа, нанесет существенный удар по американскому импорту жидких углеводородов? Отдавая 17% добываемого в текущее время природного газа на производство метанола, можно избавиться от 10% американского импорта жидкостей. Это потребовало бы строительство 43 метаноловых заводов на сумму около $53 млрд. Бюджет капиталовложений США в перерабатывающую промышленность за период 2005-2010 годов составил порядка $53 млрд. Но в отличие от транспортных средств на базе возобновляемых источников энергии или СПГ, при нынешних ценах на бензин, метанол и природный газ нет необходимости обращаться за субсидиями, и заводы могут окупиться за период от 3 до 5 лет, продолжая получать прекрасную прибыль за предполагаемый 30-летний срок своей службы. И это без учета всех сопутствующих расходов, связанных с нефтедобычей на Ближнем Востоке.

Метаноловое моторное топливо, получаемое из природного газа, - это наше настоящее, а в перспективе могут быть и другие варианты. Метанол в основном производится из природного газа, но его можно получать и из биомассы - значительно эффективнее, чем этанол. Выбросы в эквиваленте углекислого газа для производства метанола из биомассы оцениваются в одну десятую кукурузного этанола. Транспортные средства на базе топливных элементов в последнее время стали рассматриваться как спасители рынка моторных топлив.

Широко известно, что самой большой проблемой автомобилей на базе топливных элементов является очень сложный и трудный переход к инфраструктуре водородной заправки. Но метанол является прекрасным носителем энергии для топливных элементов, и инфраструктуру для заправки им намного легче организовать. Будущее топливных элементов, возможно, не так далеко, но получение метанола из природного газа сегодня уже существует.