Alkoholové palivo - Alcohol fuel
Jako palivo pro spalovací motory se používají různé alkoholy . První čtyři alifatické alkoholy ( methanol , ethanol , propanol a butanol ) jsou zajímavé jako paliva, protože je lze syntetizovat chemicky nebo biologicky a mají vlastnosti, které jim umožňují použití ve spalovacích motorech. Obecný chemický vzorec pro alkoholové palivo je C n H 2n+1 OH .
Většina methanolu se vyrábí ze zemního plynu, i když jej lze vyrábět z biomasy pomocí velmi podobných chemických procesů. Ethanol je obvykle vyroben z biologického materiálu do fermentačních procesů. Biobutanol má ve spalovacích motorech tu výhodu, že jeho energetická hustota je bližší benzínu než jednodušší alkoholy (a přitom si zachovává o 25% vyšší oktanové číslo); výroba biobutanolu je však v současné době obtížnější než ethanol nebo methanol. Jsou -li získávány z biologických materiálů a/nebo biologických procesů, jsou známy jako bioalkoholy (např. „Bioethanol“). Mezi biologicky vyráběnými a chemicky vyráběnými alkoholy není žádný chemický rozdíl.
Jednou z výhod, kterou sdílejí čtyři hlavní alkoholová paliva, je jejich vysoké oktanové číslo . To má tendenci zvyšovat jejich palivovou účinnost a do značné míry kompenzuje nižší energetickou hustotu paliv z automobilového alkoholu (ve srovnání s benzinem/benzínem a naftou), což má za následek srovnatelnou „spotřebu paliva“, pokud jde o metriky vzdálenosti na objem, například kilometry na litr nebo míle na galon.
Methanol a ethanol
Methanol i ethanol lze získávat z fosilních paliv, biomasy nebo snad nejjednodušeji z oxidu uhličitého a vody. Ethanol se nejčastěji vyrábí fermentací cukrů a methanol se nejčastěji vyrábí ze syntézního plynu, ale existují modernější způsoby, jak tato paliva získat. Místo kvašení lze použít enzymy. Methanol je jednodušší molekula a ethanol lze vyrobit z methanolu. Methanol lze průmyslově vyrábět téměř z jakékoli biomasy, včetně zvířecího odpadu, nebo z oxidu uhličitého a vody nebo páry tak, že se biomasa nejprve přemění na syntézní plyn v zplyňovači . Může být také vyroben v laboratoři pomocí elektrolýzy nebo enzymů.
Metanol i ethanol mají jako palivo výhody i nevýhody oproti palivům, jako je benzín (benzín) a motorová nafta . V zážehových motorech mohou oba alkoholy běžet s mnohem vyšší rychlostí recirkulace výfukových plynů as vyššími kompresními poměry . Oba alkoholy mají vysoké oktanové číslo s ethanolem 109 RON ( Research Octane Number ), 90 MON ( Motor Octane Number ), (což odpovídá 99,5 AKI ) a methanolem 109 RON, 89 MON (což odpovídá 99 AKI). Všimněte si, že AKI odkazuje na „ Anti-Knock Index “, který průměruje hodnocení RON a MON (RON+MON)/2 a používá se na amerických čerpacích stanicích. Běžný evropský benzín je obvykle 95 RON, 85 MON, což se rovná 90 AKI. Oba alkoholy jako palivo vznětového motoru vytvářejí velmi málo částic, ale jejich nízké cetanové číslo znamená, že do paliva musí být přimíchán zlepšující prostředek zapalování, jako je glykol, při přibl. 5%.
Při použití v zážehových motorech mají alkoholy potenciál snížit NOx , CO , HC a částice. Test s Chevroletem Luminas poháněným E85 ukázal, že NMHC klesl o 20-22%, NOx o 25-32% a CO o 12-24% ve srovnání s reformulovaným benzínem. Toxické emise benzenu a 1,3-butadienu se také snížily, zatímco emise aldehydu se zvýšily ( zejména acetaldehyd ).
Emise CO 2 z výfuku se také snižují v důsledku nižšího poměru uhlíku k vodíku těchto alkoholů a zlepšené účinnosti motoru.
Metanol a ethanolová paliva obsahují rozpustné a nerozpustné kontaminující látky. Halogenidové ionty, které jsou rozpustnými kontaminanty, jako jsou chloridové ionty, mají velký vliv na korozivitu alkoholových paliv. Halogenidové ionty zvyšují korozi dvěma způsoby: chemicky napadají pasivační oxidové filmy na několik kovů způsobujících důlkovou korozi a zvyšují vodivost paliva. Zvýšená elektrická vodivost podporuje elektrickou, galvanickou a běžnou korozi v palivovém systému. Rozpustné kontaminující látky, jako je hydroxid hlinitý, který je sám produktem koroze halogenidovými ionty, v průběhu času ucpávají palivový systém.
Aby se zabránilo korozi, musí být palivový systém vyroben z vhodných materiálů, elektrické vodiče musí být řádně izolovány a snímač hladiny paliva musí být typu pulsu a přidržení, magneticky odporového nebo jiného podobného bezkontaktního typu. Kromě toho by měl mít vysoce kvalitní alkohol nízkou koncentraci znečišťujících látek a přidán vhodný inhibitor koroze. Vědecké důkazy ukazují, že voda je inhibitorem koroze ethanolem.
Experimenty se provádějí s E50, který je agresivnější a urychluje korozní účinek. Je zcela zřejmé, že zvýšením množství vody v palivovém ethanolu lze snížit korozi. Při 2% nebo 20 000 ppm vody v ethanolovém palivu koroze přestala. V souladu s pozorováním v Japonsku je o vodném ethanolu známo, že je méně korozivní než bezvodý ethanol. Mechanismus reakce je 3 EtOH + AI -> Al (OEt) 3 + 3 / 2 H 2 při teplotě nižší střední míchá. Když je v palivu dostatek vody, bude hliník reagovat přednostně s vodou za vzniku Al 2 O 3 , čímž se opraví ochranná vrstva oxidu hlinitého. Alkoxid hlinitý nevytváří těsnou oxidovou vrstvu; voda je nezbytná k opravě otvorů ve vrstvě oxidu.
Methanol a ethanol jsou nekompatibilní s některými polymery. Alkohol reaguje s polymery a způsobuje bobtnání a v průběhu času kyslík rozkládá vazby uhlík-uhlík v polymeru, což způsobuje snížení pevnosti v tahu. V posledních několika desetiletích však byla většina automobilů navržena tak, aby bez problémů tolerovala až 10% ethanolu (E10). To zahrnuje jak kompatibilitu palivového systému, tak lambda kompenzaci dodávky paliva u motorů se vstřikováním paliva s uzavřenou lambda regulací. V některých motorech může ethanol degradovat některé složení plastových nebo gumových součástí dodávek paliva určených pro konvenční benzín a také není schopen lambda správně kompenzovat palivo.
Vozidla „FlexFuel“ mají vylepšený palivový systém a součásti motoru, které jsou navrženy pro dlouhou životnost pomocí E85 nebo M85, a ECU se dokáže přizpůsobit jakékoli směsi paliva mezi benzínem a E85 nebo M85. Mezi typické upgrady patří úpravy: palivových nádrží, elektrického vedení palivové nádrže, palivových čerpadel, palivových filtrů, palivových potrubí, plnících trubek, snímačů hladiny paliva, vstřikovačů paliva, těsnění, rozdělovačů paliva, regulátorů tlaku paliva, sedel ventilů a sacích ventilů. Automobily „Total Flex“ určené pro brazilský trh mohou používat E100 (100% ethanol).
Jeden litr ethanolu uvolní při spalování 21,1 MJ, litr methanolu 15,8 MJ a litr benzínu přibližně 32,6 MJ; rozdíl je způsoben rozdílným obsahem kyslíku. Jinými slovy, na stejný energetický obsah jako jeden litr nebo jeden galon benzínu potřebujete 1,6 litru/galony ethanolu a 2,1 litru/galony methanolu. Čísla surové energie na objem vytvářejí zavádějící čísla spotřeby paliva, protože motory poháněné alkoholem mohou být podstatně energeticky účinnější. Větší procento energie uvolněné spalováním litru alkoholového paliva lze přeměnit na užitečnou práci. Tento rozdíl v účinnosti může částečně nebo úplně vyrovnat rozdíl v hustotě energie v závislosti na konkrétních porovnávaných motorech.
Metanolové palivo bylo navrženo jako budoucí biopalivo, často jako alternativa k vodíkové ekonomice . Metanol má dlouhou historii jako závodní palivo. Early Grand Prix Racing používal směsné směsi i čistý methanol. Palivo bylo primárně použito v Severní Americe po válce. Metanol pro závodní účely byl však do značné míry založen na methanolu vyráběném ze syntézního plynu získaného ze zemního plynu, a proto by tento methanol nebyl považován za biopalivo. Metanol je však možné biopalivo, pokud je syngas získáván z biomasy .
Methanol lze teoreticky vyrábět také z biomasy z udržitelných zdrojů a nakonec z oxidu uhličitého a vodíkovou elektrolýzou využívající jadernou energii, geotermální energii nebo jiný obnovitelný zdroj energie (viz Carbon Recycling International ). Ve srovnání s bioetanolem je hlavní výhodou metanolového biopaliva jeho mnohem větší účinnost „well-to-wheel“. To je zvláště důležité v mírném podnebí, kde jsou k pěstování cukru nebo škrobových plodin k výrobě etanolu zapotřebí hnojiva, zatímco methanol lze vyrábět z neoplodněné lignocelulózové (dřevnaté) biomasy.
Ethanol se již ve velké míře používá jako aditivum do paliva a používání ethanolového paliva samotného nebo jako součást směsi s benzínem se zvyšuje. Ve srovnání s methanolem je jeho hlavní výhodou to, že je méně korozivní a netoxický, ačkoli palivo produkuje určité toxické výfukové emise. Po 40 letech používání metanolu používá Indy Racing League od roku 2007 jako exkluzivní palivo ethanol. Od září 2007 mají čerpací stanice v NSW v Austrálii mandát dodávat veškerý benzín s 2% obsahem ethanolu
Butanol a propanol
Propanol a butanol jsou podstatně méně toxické a méně těkavé než methanol. Butanol má zejména vysoký bod vzplanutí 35 ° C, což je přínosem pro požární bezpečnost, ale v chladném počasí může být obtížné spouštění motorů. Koncept bodu vzplanutí však není přímo použitelný na motory, protože stlačení vzduchu ve válci znamená, že teplota je několik set stupňů Celsia, než dojde k zapálení.
Provedení fermentačních procesů na výrobu propanolu a butanolu z celulózy je poměrně obtížné a organismus Weizmann ( Clostridium acetobutylicum ), který se v současné době používá k provádění těchto přeměn, produkuje extrémně nepříjemný zápach, což je třeba vzít v úvahu při navrhování a umístění fermentačního zařízení . Tento organismus také umírá, když obsah butanolu v jakémkoli kvašení stoupne na 2%. Pro srovnání kvasinky hynou, když obsah ethanolu v jejich surovině dosáhne 14%. Specializované kmeny snesou ještě větší koncentrace ethanolu - takzvané turbo kvasinky vydrží až 16% ethanolu. Pokud však lze běžné kvasinky Saccharomyces upravit tak, aby se zlepšila jejich odolnost vůči ethanolu, mohou vědci jednoho dne produkovat kmen Weizmannova organismu s odolností vůči butanolu vyšším, než je přirozená hranice 7%. To by bylo užitečné, protože butanol (vzhledem k nižšímu obsahu kyslíku) má vyšší hustotu energie spalování než ethanol a protože odpadní vlákno, které zbylo z cukrovarů používaných k výrobě ethanolu, by bylo možné zpracovat na butanol, což by zvýšilo výtěžnost alkoholu palivových plodin bez vyžadující vysazení více plodin.
Navzdory těmto nevýhodám společnosti DuPont a BP nedávno oznámily, že společně vybudují malou demonstrační továrnu na butanolové palivo vedle velkého závodu na bioethanol, který společně vyvíjejí s Associated British Foods .
Společnost Energy Environment International vyvinula způsob výroby butanolu z biomasy, který zahrnuje použití dvou oddělených mikroorganismů za sebou, aby se minimalizovala produkce vedlejších produktů acetonu a ethanolu.
Švýcarská společnost Butalco GmbH používá speciální technologii k úpravě kvasinek za účelem výroby butanolu místo ethanolu. Kvasinky jako produkční organismy pro butanol mají rozhodující výhody ve srovnání s bakteriemi.
Spalování butanolu: C 4 H 9 OH + 6O 2 → 4CO 2 + 5H 2 O + teplo
Spalování propanolu: 2C 3 H 7 OH + 9O 2 → 6 CO 2 + 8H 2 O + teplo
3-uhlík alkohol, propanol (C 3 H 7 OH), není často používán jako přímý zdroj paliva pro zážehové motory (na rozdíl od ethanol, methanol a butanol), přičemž většina je směrován do použití jako rozpouštědla. Používá se však jako zdroj vodíku v některých typech palivových článků; může generovat vyšší napětí než methanol, který je palivem volby pro většinu palivových článků na bázi alkoholu. Protože je však propanol těžší na výrobu než methanol (biologicky nebo z ropy), jsou upřednostňovány palivové články využívající methanol před těmi, které využívají propanol.
Podle země
Brazílie
Brazílie byla donedávna největším producentem alkoholového paliva na světě, typicky kvašením ethanolu z cukrové třtiny .
Země ročně vyprodukuje celkem 18 miliard litrů (4,8 miliardy galonů), z toho 3,5 miliardy litrů se vyváží, z toho 2 miliardy do USA . Alkoholová auta debutovala na brazilském trhu v roce 1979 a díky velké subvenci se stala velmi populární, ale v 80. letech ceny stouply a benzín znovu získal přední podíl na trhu.
Od roku 2003 však alkohol opět rychle zvýšil svůj podíl na trhu díky novým technologiím zahrnujícím motory s flexibilním palivem , které všechny velké automobilky ( Volkswagen , General Motors , Fiat atd.) Nazývají „Flex“ nebo „Total Flex“ . . Motory „Flex“ pracují s benzínem, alkoholem nebo jakoukoli směsí obou paliv. V květnu 2009 je více než 88% nových vozidel prodaných v Brazílii flexpalivo.
Vzhledem k přední brazilské produkci a technologii se mnoho zemí začalo velmi zajímat o dovoz alkoholového paliva a přijetí koncepce vozidla „Flex“. 7. března 2007 navštívil americký prezident George W. Bush město São Paulo, aby podepsal dohody s brazilským prezidentem Luizem Ináciom Lula da Silvou o dovozu alkoholu a jeho technologií jako alternativního paliva.
Čína
Již v roce 1935 vyrobila Čína automobily poháněné lihem. Čína hlásí 70% spotřebu methanolu na konvenční benzín nezávislost na ropě .
Národní výbor pro plánování a koordinaci činností pro čistý automobil uvedl do své hlavní agendy klíčové technologie související s palivem z alkoholu/etheru a zrychlenou industrializací. Alkoholová paliva se stala součástí pěti hlavních alternativních paliv: dvě z nich byly alkoholy; methanolu a ethanolu
Spojené státy
Spojené státy na konci roku 2007 vyráběly 26,9 miliardy litrů (7 miliard galonů) ročně. E10 nebo Gasohol se běžně prodává v Delaware a E85 se nachází v mnoha státech, zejména na Středozápadě, kde se lokálně vyrábí ethanol z kukuřice.
Mnoho států a obcí nařídilo, aby všechna benzinová paliva byla během jednoho nebo celého roku smíchána s 10 procenty alkoholu (obvykle ethanolem). To má snížit znečištění a umožňuje těmto oblastem vyhovět federálním limitům znečištění. Protože je alkohol částečně okysličený, produkuje méně celkového znečištění, včetně ozónu . V některých oblastech (zejména v Kalifornii) mohou předpisy také vyžadovat jiné formulace nebo přidané chemikálie, které snižují znečištění, ale zvyšují složitost distribuce paliva a zvyšují náklady na palivo.
Evropská unie
| Země | 2005 | 2006 | 2007 | 2008 |
|---|---|---|---|---|
 Francie
|
871 | 1719 | 3,164 | 4,693 |
 Německo
|
1682 | 3,544 | 3448 | 4675 |
 Švédsko
|
1681 | 1894 | 2,119 | 2 488 |
 Holandsko
|
0 | 179 | 1023 | 1512 |
 Španělsko
|
1314 | 1332 | 1512 | 1,454 |
 Polsko
|
329 | 611 | 837 | 1382 |
 Spojené království
|
502 | 563 | 906 | 1,223 |
 Finsko
|
0 | 10 | 20 | 858 |
 Rakousko
|
0 | 0 | 199 | 633 |
 Maďarsko
|
28 | 136 | 314 | 454 |
 Česká republika
|
0 | 13 | 1 | 378 |
 Irsko
|
0 | 13 | 59 | 207 |
 Litva
|
10 | 64 | 135 | 182 |
 Belgie
|
0 | 0 | 0 | 145 |
 Slovensko
|
0 | 4 | 140 | 76 |
 Bulharsko
|
- | 0 | 0 | 72 |
 Dánsko
|
0 | 42 | 60 | 50 |
 Slovinsko
|
0 | 2 | 9 | 28 |
 Estonsko
|
0 | 0 | 0 | 17 |
 Lotyšsko
|
5 | 12 | 0 | 0 |
 Lucembursko
|
0 | 0 | 14 | 11 |
 Portugalsko
|
0 | 0 | 0 | 0 |
 Itálie
|
59 | 0 | 0 | 0 |
 Řecko
|
0 | 0 | 0 | 0 |
 Rumunsko
|
- | 0 | 0 | 0 |
 Malta
|
0 | 0 | 0 | 0 |
 Kypr
|
0 | 0 | 0 | 0 |
 Evropská unie
|
6 481 | 10 138 | 13,962 | 20 538 |
|
1 prst = 11,63 MWh, 0 = žádné údaje Spotřeba alkoholu neurčuje spotřebu paliva v provozu Údaje za rok 2008 zatím nejsou potvrzeny |
||||
Japonsko
První alkoholové palivo v Japonsku začalo s GAIAX v roce 1999. GAIAX byl vyvinut v Jižní Koreji a importován Japonskem. Hlavní složkou byl methanol.
Protože GAIAX nebyl benzín, byl předmětem japonské daně z plynu osvobozenou od daně . V důsledku toho však bylo používání GAIAX považováno vládou a ropným průmyslem za akt pašování v Japonsku. Maloobchod GAIAX byl proveden, aby se zabránilo kritice daňových úniků nezávislým placením daně z motorové nafty v předpisech právního systému.
Náhodné požáry vozidel, kde se tankovalo GAIAX, začaly být hlášeny kolem roku 2000, kdy diskuse o daňových únicích téměř skončila. Automobilový průmysl v Japonsku kritizoval GAIAX a řekl, že „došlo k požárům, protože alkohol s vysokou hustotou zkorodoval palivové potrubí“. GAIAX byl pojmenován jako „palivo s vysokou hustotou alkoholu“ a byla provedena kampaň s cílem jej dlouhodobě vyloučit z trhu. Do této kampaně se nakonec zapojilo i ministerstvo hospodářství, obchodu a průmyslu .
Metoda kvality benzínu byla pod záminkou bezpečnostních obav revidována v roce 2003. To zakazovalo výrobu a prodej „lihového paliva s vysokou hustotou“ a přidal podstatný zákaz prodeje GAIAX. Revize zákona zakazuje výrobcům pohonných hmot přidávat do benzínu 3% a více alkoholu. Tato revize zákona je důvodem k tomu, aby nebylo možné v Japonsku prodávat lihové palivo větší než E3.
Ropný průmysl v Japonsku nyní pokračuje ve výzkumu a vývoji originálního alkoholového paliva, které se liší od GAIAX. Komerční výroba a prodej jakéhokoli nového paliva však mohou být blokovány stávajícími zákony, které v současné době GAIAX z trhu vylučují. Navíc silná averze japonského spotřebitele k jakémukoli druhu alkoholu s vysokou hustotou alkoholu může zabránit komerčnímu úspěchu jakéhokoli nového paliva.
