В последние годы производство синтетической нефти из угля получает все более широкое распространение. Технология его была разработана в Германии в 30-х годах. К концу второй мировой войны она производила около 100 тыс. баррелей (1 баррель равен 158,99 л) синтетической нефти в день, используя ее как горючее для заправки военной техники.
После войны европейские страны, в том числе и ФРГ, перешли на использование природной импортной нефти из стран Ближнего Востока.
В настоящее время технология перегонки угля в «нефть» достаточно хорошо разработана. Нефть и уголь при сравнении их элементного состава являются ближайшими родственниками. Основное их различие в содержании водорода: до 8% в угле против 15% в нефти.
Но если тонко измельченный уголь насыщать в определенных термодинамических условиях водородом, то он почти полностью переходит в жидкое состояние. Получается синтетическая нефть, очень близкая по свойствам к природной. Процесс этот именуется гидрогенизацией угля и происходит при температуре 400—500°С и давлении, достигающем 300 кгс/см2 [51].
Процесс гидрогенизации значительно ускоряется, а степень сжижения угля увеличивается, если использовать такие катализаторы, как молибден, кобальт, никель, железо, олово, алюминий или их соединения.
Жидкое топливо из угля можно получить и в том случае, если сначала уголь подвергнуть газификации, а затем газ сжижать в присутствии катализатора, чтобы получить различные жидкие фракции.
Производство синтетической нефти из угля в промышленных масштабах осуществляется пока только в ЮАР. В США планируется пуск крупного завода по переработке 6 тыс. т угля в день, что эквивалентно 20 тыс. баррелей синтетической нефти в сутки (около 2,5 тыс. т). В оснащении завода принимают участие консорциум японских фирм и ФРГ. Хотя завод строится на деньги американских налогоплательщиков, его эксплуатация будет осуществляться частной нефтяной монополией «Гольф ойл корпорейшн».
В самом начале 1980 г. в связи с нехваткой бензина палата представителей США приняла программу мероприятий общей стоимостью 3 млрд. долл. В соответствии с ней к концу 1984 г. в США должно быть налажено производство 0,5 млн. баррелей Синтетического топлива в сутки, а к концу 1989 г. — по меньшей мере 2 млн. баррелей [75].
Добыча жидкого топлива из сланцев и песчаников требует очень дорогой технологии и поэтому особенного распространения не получила.
Только в США 1,8 триллиона тонн нефти заключено в горных породах тихоокеанского побережья. Технология производства нефти из сланцев достаточно проста: размельченная порода «варится» при температуре 490° С до полного выкипания нефти. Но стоимость
строительства завода производительностью до 100 тыс. баррелей нефти в день оценивается почти в 3 млрд. долл. Цена одной баррели синтетической нефти при этом составит 45 долл. против 30 долл. сырой природной нефти. Дороговизна, загрязнение окружающей среды, потребление большой массы воды являются серьезными препятствиями для быстрого и эффективного налаживания производства нефти из сланцев в промышленных масштабах. Использование угля в качестве источника автомобильного топлива имеет большие перспективы, ибо запасов угля хватит на 600 лет и более. Правда, распределены они очень неравномерно. Из годных для разработки месторождений 48% расположено в США и только около 8% в Западной Европе [72].
По мнению экспертов, к концу 1990 г. до 25% мирового производства и потребления энергии составит синтетическое топливо, причем 40—60% его будет получено из угля.
Ведутся также интенсивные поиски в области получения синтетического бензина из биомассы и другого сырья.
Еще одним интересным источником получения синтетической нефти является переработка изношенных автомобильных шин. В США, например, ежегодно выбрасывается почти 200 млн. шин, или 2 млн. т различных материалов, идущих на их изготовление. Исследования, проводимые в течение многих лет, показали, что резиновые отходы, в частности шины, могут с помощью пиролиза перерабатываться в нефть и газ. Пиролиз — это процесс распада вещества под воздействием высокой температуры и отсутствия воздуха при одновременном образовании из продуктов распада новых сложных соединений, в результате чего получается 45—55% нефти, 5—10% высококалорийного газа [68].
Очевидно, что этот способ целесообразен только в странах с большими автопарками, которые смогут обеспечить промышленность использованной резиной в достаточном количестве.
В СССР еще в 1934 г, — в годы второй пятилетки — обосновывалась необходимость переработки твердых топлив в жидкие на основе процесса гидрирования углей. В нашей стране перспективным является производство синтетического топлива из углей Экибастуз-ского и Канско-Ачинского месторождений. Стоимость синтетического топлива в целом определяется стоимостью исходного сырья, т. е. угля. Поэтому особенно высокоэффективным представляется использование дешевых Канско-Ачинских запасов угля для производства синтетического топлива. Учитывая колоссальные запасы угля в нашей стране, гидрогенизация бурого угля с целью получения жидкого топлива для нужд народного хозяйства представляется достаточным и необходимым. Степень целесообразности такой переработки постоянно возрастает, поскольку, с одной стороны, запасы нефти истощаются, а с другой — совершенствуется технология переработки углей в жидкие углеводороды.
Спирт. Развитие химической промышленности дало возможность создать искуственные виды топлива: метанол (метиловый спирт) и этанол (этиловый спирт).
В промышленно развитых капиталистических странах с ограниченными ресурсами нефти в качестве автомобильного топлива все шире используются синтетические спирты (в частности, метанол).
Метанол (метиловый спирт) может быть получен из каменного и бурого углей, природного и попутного нефтяного газа и биомассы. Технология получения метанола отработана относительно хорошо и для автотранспортных нужд является наиболее применяемым не нефтяным топливом.
Спирты обладают высоким октановым числом (90—94 единицы по исследовательскому методу). У них большая, чем у бензина, скрытая теплота испарения, что снижает тепловую напряженность деталей двигателя и затрудняет его пуск в холодную (ниже 8°С) погоду. Ввиду этого появляется необходимость предпускового подогрева горючей смеси или применения специального устройства для пуска двигателя, в котором в качестве топлива используется бензин или другие легкоиспаряющиеся химические соединения. Еще одним недостатком является высокая химическая активность метанола, которая проявляется в его вредном воздействии на детали автомобиля, изготовленные из свинца, магния, цинка и его сплавов, различных пластмасс, резины. Как все спирты, метанол обладает способностью поглощать влагу, в «результате чего его топливные качества заметно ухудшаются. Вдвое меньшая теплотворная способность спирта обусловливает вдвое больший расход топлива. В то же время продукты сгорания спирта содержат существенно меньше окислов азота и углерода, дают меньше отложений нагара на деталях двигателя [25].
В целом метиловый спирт считается наиболее перспективной заменой бензину, поскольку он может конкурировать с ним по стоимости. Его можно производить по экономичной технологии и в достаточном объеме.
Поскольку у спирта энергетическая плотность ниже, чем у бензина, спирто-бензиновця смесь считается более выгодным топливом, чем чистый спирт, который тоже рассматривается как потенциальное горючее.
Двигатель с искровым зажиганием на спирто-бензиновой смеси требует лишь небольших изменений по сравнению с нынешним двигателем для легковых автомобилей, однако его широкое применение возможно не ранее середины 80-х годов и не в последнюю очередь из-за недостатка производственных мощностей по производству спирта. Метиловый спирт в настоящее время получают из природного газа, но его можно синтезировать из угля, запасы которого в мире огромны. Метиловый спирт, у которого энергетическая плотность вдвое ниже, чем у бензина, стоил бы более 1 долл. за галлон (0,25 долл/л) в пересчете на заменяемый им бензин. Следует учитывать, .что по мере совершенствования технологии, стоимость метанола будет снижаться. Особенно большие возможности для производства метанола имеются в СССР, а также в странах Среднего Востока, что объясняется наличием в этих странах колоссальных запасов попутного газа. 190
Этанол (этиловый или винный спирт) может быть получен путем ферментации биомассы, содержащей крахмал, сахар либо целлюлозу. Этанолу как моторному топливу присущи как достоинства, так и недостатки метанола, но выражены они в меньшей степени.
Этиловый спирт, который можно изготовлять либо из зерна, либо из нефтепродуктов, имеет более высокую энергетическую плотность: около 2/3 от плотности бензина. Однако основным его недостатком является тот факт, что из излишков зерна можно получить такое количество этилового спирта, которое сможет заменить лишь малую часть потребляемого автомобильного топлива. Расширение производства зерна не представляется целесообразным, так как в процессе выращивания, сбраживания и перегонки зерно потребляет намного больше энергии, чем ее содержится в конечном продукте. Другим недостатком этилового спирта является цена. При изготовлении из зерна этиловый спирт обходится дорого — от 1,75 до 2,00 долл. за галлон (0,46—0,53 долл/л) в пересчете на заменяемый им бензин, в то время как при получении спирта (метанола) из природного газа себестоимость его производства равна примерно 0,25 долл/л, что составляет в среднем 2/3 от цены бензина в США.
Но если даже всю сельскохозяйственную продукцию США, получаемую в настоящее время, перевести в спирт, то страна сможет удовлетворить лишь 20% потребностей транспорта [75].
Мировым лидером в производстве и потреблении спирта является Бразилия, которая удовлетворяет свои потребности в автотранспортном топливе почти на 20% за счет спирта, который уже продается по цене 1,04 долл. за галлон, в то время как цена на бензин выросла до 1,52 долл. за галлон. В связи с повышением цен на нефть бразильское правительство еще в 1975 г. приняло программу, направленную на переработку части сахарного тростника в спирт с тем, чтобы к концу века полностью обеспечить собственные потребности в топливе. Правительство Бразилии намечает к 1985 г. производить 10,6 млрд. л спирта в год и таким образом перевести около 50% автомобилей на спирт [25]. Площадь под сахарным тростником для обеспечения топливом автомобильного транспорта возрастет к этому периоду до 4,2 млн. га против 2,5 га в 1980 г. Более 40% автомобилей, выпускаемых в стране, уже используют спирт как горючее.
В США к производству спирта из зерна приступили в основном частные корпорации. Успехи США в этой области более скромны. Суммарное производство спирта составляет 100 млн. галлонов (1 галлон равен 3,6 л) или менее 0,1% общего потребления нефтепродуктов автомобильным парком страны. В США стоимость спирта почти в 2 раза выше стоимости бензина. Так, на начало 1980 г. цена 1 галлона бензина составила 0,92 долл, а спирт продавался по цене 1,5 долл. Учитывая, что стоимость производства спирта падает, в будущем следует ожидать выравнивания их цен на территории США [25]. Бразилия и США в этом аспекте находятся в особо благоприятных условиях. Бразилия обладает огромными площадями
191
девственных земель, где можно разводить «спиртоносный» тростник. США располагает большими запасами зерна. В целом для отдельных стран этот путь вряд ли приемлем, ибо продовольственная проблема стоит не менее остро, чем энергетическая. В настоящее время спирт используется и как 10%-ная добавка к бензину. Эта смесь под названием газохол получает довольно широкое распространение в мире и имеет ряд неоспоримых преимуществ, среди которых основным является повышение топливной экономичности. В этих целях как добавку к бензину используют также и растительное масло. Точнее, со смесью растительных и животных жиров, растворенных в керосине. Это — новый катализатор, который при добавлении к автомобильному топливу снижает его расход на 12— 20%. При этом улучшается сгорание и уменьшается токсичность отработавших газов. К тому же, почти полностью прекращается отложение нагара в двигателе. Смеси этой требуется немного — всего литр на шесть тонн бензина.
Водород является одним из многообещающих заменителей бензина. Практическое использование его как топлива в чистом виде сопряжено с трудностями при его получении, заправке и хранении на автомобилях. В настоящее время ведутся интенсивные поиски эффективного решения проблем, связанных с широким использованием водорода в качестве топлива для автотранспортных средств.
В 1980 г. мировое производство водорода достигло 30 млн. т. В перспективе хорошим топливом для автотранспорта может служить обыкновенная вода. Охлажденный и превращенный в жидкость водород может быть использован в различных модификациях двигателей внутреннего сгорания. Кроме того, водород в качестве топлива имеет колоссальное экологическое преимущество, поскольку продуктом его сгорания является вода [51].
Водород может быть получен различными способами. В частности, он может быть выделен путем пропуска электричества через воду — электролизом. Но этот способ очень энергоемок и экономически невыгоден.
По мнению американских специалистов, одним из перспективных направлений является выделение водорода из воды путем искусственного фотосинтеза.
Теплотворная способность 1 кг водорода в 2,7 раза выше, чем 1 кг бензина, однако объемная энергоемкость водорода невелика из-за его малой плотности. Опыты показывают, что наиболее оптимальное соотношение водорода и воздуха в горючей смеси 1:10. Химико-физические свойства водорода вызывают негативные явления и нарушают нормальное протекание рабочего процесса в карбюраторном двигателе. Большая диффузионная способность водорода может привести к оводораживанию деталей двигателя, изготовленных из некоторых видов стали, что отрицательно сказывается на их долговечности. К нарушениям нормальных рабочих процессов могут- быть отнесены такие явления, как вспышки во впускном трубопроводе, самопроизвольное преждевременное воспламенение горючей смеси в рабочих камерах, детонация и др. Но эти труд-192
ности могут быть преодолены с помощью технических нововведений и точной регулировки.
В целом переоборудование системы питания карбюраторного двигателя для использования водорода не представляет особых трудностей. Необходимо отметить только, что мощностные параметры двигателя при этом ухудшаются.
Трудности использования водорода как топлива заключаются и в создании легкой, компактной и безопасной системы его хранения на борту автомобиля. Водород должен храниться в сжатом, сжиженном состоянии или во вторичных энергоносителях. Для того, чтобы иметь на автомобиле достаточный запас сжатого водорода, требуются баллоны, выдерживающие давление порядка 350—400 бар (1 Б равен 105 Па). Для хранения водорода в сжиженном состоянии необходима надежная теплоизоляция топливного бака, так как температура жидкого водорода равна —253° С. Обычно его хранят в криогенных резервуарах с двойными стенками. Однако криогенные системы, которые существуют на сегодняшний день, сложны, дороги, массивны, громоздки и не безопасны.
Другим способом аккумулирования водорода является металл-гидридные аккумуляторы, в которых водород связывается с такими твердыми химическими элементами как гидрид редкоземельных металлов или натрием. Они называются вторичными энергоносителями. Полученные на этой основе нестабильные соединения легко выделяют вновь водород при нагревании их до температуры от 30 до 100° С [51].
В одной из созданных за рубежом экспериментальных систем питания водород аккумулируется в пакетах трубок, заполненных титаногидридом железа. При охлаждении аккумулятора водой происходит поглощение водорода, а при нагревании отработавшими газами — выделение водорода. В настоящее время вопрос хранения водорода на борту автомобиля находится в стадии решения.
Эксплуатация газобаллонных автомобилей, в том числе с водородом, требует особых мер безопасности.
Система питания двигателя, работающего на водороде, требует высокой степени герметичности. Сама по себе утечка водорода опасности не представляет, поскольку он почти мгновенно улетучивается. Опасность наступает в том случае, если утечка происходит в закрытой полости, где образуется гремучий газ, а также при наличии малейшей искры в момент утечки.
Возможность использования водорода в качестве топлива зависит также от разработки дешевых промышленных методов его получения. По данным зарубежной печати получение водорода пока обходится вдвое дороже получения равного ему по энергоемкости количества бензина [51].
СССР имеет значительный опыт по использованию водорода в качестве топлива. Еще в годы Великой Отечественной войны в блокадном Ленинграде эксплуатировались около 600 автомобилей на воздушно-водородной смеси. В Москве также эксплуатировались около 300 двигателей, работающих на водороде.
193
Водород может быть использован и в виде 5%-ной прибавки, при которой расход бензина и дизельного топлива сокращается до 20—25% [73]. Мощность двигателя при этом возрастает на 20—40% за счет повышения теплоты сгорания топливной смеси и улучшения процессов смесеобразования. Высокая стоимость водорода как топлива, проблемы хранения его на борту автомобиля, малый запас хода, технические и организационные трудности по созданию сети заправки автомобилей и ряд других причин препятствуют пока широкому внедрению водородных двигателей на автомобильном транспорте. Но эти трудности будут преодолены, поскольку в настоящее время в нашей стране широким фронтом проводятся работы по созданию высокоэффективных автотранспортных средств, способных работать на водороде, и получению дешевого водорода.