Р. Ф. СТЕБАР, В А ДАНИЭЛЬ, А .Р. САРПЕ, Б. Д. ПЕТЕРС Исследовательские лаборатории компании «Дженерал моторс», Уоррен, штат Мичиган, США. 

В будущем при производстве топлив для автомобилей, на которых будут установлены современные или другие возможные двигатели, работающие на топливах, получаемых из различных источников (горючих сланцев, угля, ядерной энергии, биомассы), придется позаботиться о снижении расхода энергии на переработку первичных источников энергии. На энергетические проблемы оказывают влияние многие факторы, включающие загрязнение окружающей среды, экономику и политику, имеющие большое, а порой определяющее значение в принятии окончательного решения относительно подбора топлива и двигателя. В настоящей работе рассматриваются вопросы, касающиеся только эффективности использования энергии в автомобилях. Эта эффективность, в свою очередь, зависит от эффективности 1) производства различных видов сырья, производства топлива из сырья, 3) системы распределения топлива (от производителя к потребителю), 4) применения топлива на автомобиле. Авторами исследовались вопросы, касающиеся второго и четвертого пунктов, потому что они определяют общую оценку использования энергии.

Эффективность производства автомобильного топлива (главным образом, различные жидкие углеводороды и спирты) из первичных источников энергии оценивались на основании критического анализа литературных данных. Возможность использования каждого из этих топлив на современных или возможных двигателях будущего устанавливалась исходя из его характеристики сгорания (октановое или цетановое числа), испаряемости и наличия загрязнений (сера, азот и зола). В качестве силовых установок рассматривались обычные двигатели внутреннего сгорания с искровым зажиганием, дизельные, двигатели с послойным распределением топливного заряда, паровые, газотурбинные и Стирлинга.

При оценке эффективности применения топлив на этих двигателях за основу принимались двигатели сравнимых размеров, выделяющие примерно одинаковое количество загрязнений и имеющие сходную характеристику. Для большинства двигателей будущего эти данные отсутствуют. Поэтому оптимальное использование энергии иллюстрируется данными, полученными на двигателях с искровым зажиганием и дизельных двигателях. Исходя из этих положений наиболее эффективными являются топлива, Получаемые из нефти, за ними следуют топлива, получаемые из горючих сланцев, угля, биомассы и ядерной энергии.

С целью установления комбинаций возможных топлив и двигателя с наибольшим энергетическим кпд требуется внести некоторые изменения в исходные данные. Эффективность превращения источников энергии в топлива должна быть установлена с большей определенностью, чем это возможно было ранее, должны быть определены свойства получаемых топлив н измерена эффективность их использования на автомобилях. Подобные изменения должны производиться с топливами и двигателями в автомобилях, сравнимых по размерам, характеристике и количеству выбрасываемых в атмосферу загрязнителей.

Кроме того, в будущем будет оправдано проведение исследований топлив и двигателей, которые в настоящее время кажутся несовместимыми, но содержат в себе потенциальную возможность более эффективного использования энергии.

Введение Стремление добиться энергетической самообеспеченности может в некоторых случаях в будущем заставить использовать в качестве автомобильного топливо не нефтяного происхождения. При создании запасов энергии возникнут следующие проблемы. Какое топливо можно будет производить эффективно? Из каких источников? Какие двигатели должны использоваться?

Для ответа на подобные вопросы потребуется оценка энергетического кпд всей системы производства и использования, начиная с сырья, находящегося в недрах, и до превращения энергии в механическую работу. В таком исследовании должны быть учтены все потенциальные топлива, основные источники таких топлив и реальные испытания потенциальных топлив в оправдавших себя автомобильных двигателях. С целью достижения наибольшего кпд в использовании энергетических ресурсов на автомобилях необходимо подобрать такое топливо и двигатель, которые могли бы обеспечить наиболее высокую эффективность в условиях производства и эксплуатации топлив.

Безусловно, энергетический к п д не является единственным критерием, определяющим наиболее удачную комбинацию топлива и двигателя. При их выборе приходится считаться с предотвращением загрязнения окружающей среды, политическими факторами и экономическими соображениями. Оценка экологических и экономических факторов связана с большими трудностями, а предсказание политических факторов вообще невозможно. Тем не менее при окончательном решении вопроса о выборе топлива и двигателя эти факторы могут оказаться доминирующими.

В настоящей работе внимание было сосредоточено на оценке комбинаций топлива и двигателя без учета экологических, политических и экономических соображений.

Методология оценки энергетического к п. д. При решении вопроса использования автомобильных топлив, получаемых из различных естественных источников, приходится считаться со следующими техническими этапами:

1976 Получение сырья (разработка горных месторождений, бурение, сбор урожая и др.).

1977 Превращение сырья в топливо.

1978 Распределение топлива для его доставки потребителю.

1979 Использование топлива в легковом автомобиле.

Некоторые из этих этапов отличаются большим энергетическим кпд, чем другие, и общий энергетический кпд, который представляет собой произведение кпд составляющих этапов, может изменяться в зависимости от источника топлива.

Энергетические ресурсы и потенциальные топлива. В табл. 1 представлены первичные источники энергии,, которые считаются достаточными, для обеспечения производства будущего автомобильного топлива. Из них наиболее вероятными источниками энергии считают нефть, горючие сланцы, уголь, биомассу и ядерную энергию [3, 4]. Природный газ изза недостаточности его ресурсов в, этот список не включен. Геотермальная энергия, гидроэнергия, солнечная энергия, энергии прибоя и ветра будут использоваться главным образом в виде электричества и поэтому в анализе рассматриваются так же, как и ядерная энергия.

Из первичных источников энергий с помощью соответствующих процессов могут быть, получены разнообразные топлива. Некоторые виды топлив, которые могут быть получены из нефти, горючих сланцев и угля, представлены на рис. 1. Наиболее вероятные автомобильные топлива, полученные из первичных источников энергии, приведены в табл. 2 [3, 4]. При этом всё газообразные топлива, такие, как водород, легкие углеводороды и аммиак, были исключены вследствие их низкой объемной теплотворной способности и трудностей содержания в автомобильных топливных баках [3, 4]. Исключено также азотоводородное топливо в связи с дополнительными проблемами, обусловленными его токсичностью[3, 4].

Как видно из рис. 1 и табл. 2, дизельное топливо должно быть получено из различных источников энергии. Однако его получение из горючих сланцев и угля связано с большим количеством различных процессов переработки, чем при производстве из нефти; и поэтому требуется больший расход энергии на их получение. Отсюда следует, что эффективность производства топлива при оценке эффективности системы «топливо—двигатель» является решающей.

К. п. д. производства топлива. Определение к.п.д. производства топлива. Количество энергии, расходуемой для производства топлива, зависит от его характеристики и источника получения. К.п.д. производства топлива отражает количество энергии, затраченной на его получение.

В настоящем докладе к.п.д. производства топлива, определяется формулой.

В этом определении предполагается, что средства производства топлива обеспечены из того же первичного источника энергии, являющегося сырьем для получения топлива. Топливо, которое может быть получено при минимальном расходе энергии, обладает высоким энергетическим к. п. д., и его использование повысит энергетический к. п. д. системы «топливо—двигатель».

Условия определения. Оценка к. п. д. производства топлива была бы значительно проще в тех случаях, когда хорошоотработана технология его получения и когда имеется следующая информация относительно его производства:

1980 Количество исходного материала, требующегося для производства топлива.

1981 Количество получаемого полезного топлива.

1982 Количество исходного материала, требующегося для обеспечения работы технологических и вспомогательных установок.

Однако в США нет ни одной крупной установки для производства автомобильного топлива из не нефтяных источников. Даже нефтеперерабатывающие заводы, на которых вырабатывается автомобильное топливо, не автономны. Нефть на этих заводах не является единственным источником энергетического сырья. Поэтому даже в случае отработанной технологии имеющаяся информация не может быть использована для расчета к. п. д. производства топлив, получаемых из нефти.

Еще более сложная ситуация складывается в случаях, когда приходится иметь дело с вновь разработанной технологией производства топлива. Обычно доступная информация относится к экспериментам, приводимым в лабораторном масштабе или в лучшем случае на полузаводских установках. Данные, касающиеся количества использованного первичного материала и количества полученного топлива, имеются только для полупродуктов, как, например, для гидрогенизата сланцевой смолы или для синтетических жидких горючих, полученных из угля. В этих данных не содержится информация относительно энергии, потребной для обеспечения технологического процесса и функционирования вспомогательных установок. Кроме того, эти данные не основаны на автономности установок и относятся только к частным условиям технологических процессов, которые не были оптимизированы. Чаще всего в стадии разработки находится несколько альтернативных процессов производства данного топлива из того или иного сырья. Поэтому к. п. д. производства топлива, приводимый в настоящей статье, определен как на основании имеющейся информации, так и на основании инженерных суждений. Последние необходимы при оценке влияния на к. п. д. производства топлива исходного сырья, технологии производства и качества получаемого топлива. Среди факторов, касающихся исходного сырья, большое значение имеет содержание примесей. Высокое содержание водорода и малое содержание загрязнений благоприятствует увеличению к. п. д. производства топлива. Среди факторов, касающихся технологического процесса, наиболее важным является его стабильность. Увеличение стабильности технологического процесса ведет к снижению эффективности производства, хотя и позволяет увеличить выход готовой продукции. Нормирование различных загрязнений ведет к снижению эффективности производства.

При определении к. п. д. производства различных топлив из потенциальных ресурсов предполагалось, что только из данного сырья производится лишь одно топливо, хотя в действительности по данной технологии может быть получено и больше топлив. При этом к. п. д. производства топлива изменится.

Результаты. На рис. 2 представлен наиболее вероятный к. п. д. производства потенциальных автомобильных топлив, которые могут быть получены из нефти, горючих сланцев, угля, биомассы и ядерной энергии. На этом рисунке рядом с обозначениями в виде черных прямоугольников количественно, в процентах, оценивается к. п. д. производства топлива. Протяженность черных прямоугольников характеризует степень неопределенности ного значения к. п. д. производства топлива. В результате последующих исследований возможно сокращение этих прямоугольников или даже перемещениеих на высшую ступень по сравнению с показанной на рисунке. Каждое из потенциальных топлив,/ за исключением метанола и этанола, представляет собой, скорее, общий тип топлива, а не специальное, выработанное по заданной спецификации I.

Топлива из нефти. Рассматривались четыре вида топлива, получаемых из нефти. Как видно из рис. 2, наиболее высокая эффективность у очищенной нефти, т е. у нефти, из которой удалены вода, твердые вещества и газы. В зависимости от степени требующейся очистки к п. д производства очищенной нефти может достичь 98% [5]. Следующим, наиболее эффективным топливом являются нефтяные дистилляты без их характеристики по октановому или цетановому числам, получаемые путем прямой перегонки К. п. д. производства топлив такого типа из нефти оценивается в 95% [5,6]. Для дизельного топлива и бензина к. п. д. производства принят равным 90% [5, 6, 7]. Мы понимаем, что к. п. д. производства дизельного топлива и бензина неидентичных, однако для масштаба, в котором выполнен приведенный рисунок, это различие незначительно.

Определение точного к.п.д. производства дистиллятного топлива, дизельного топлива и бензина зависит от ряда факторов, таких, как качество перерабатываемой нефти, выход автомобильного топлива из сырья и желательных свойств топлива, определяемых нормативами [8].

Котельное топливо из горючих сланцев. Как было упомянутые выше, из горючих сланцев, так же как и из нефти, могут быть получены при первичной переработке четыре вида топлива: гидрогенизированная сланцевая смола, дистиллятное топливо, дизельное топливо и бензин. Наиболее высокий к. п. к (около 75%) производства имеет гидрогенизированная сланцевая смола [9, 10], а к п. д. производства дизельного топлива и бензина равны примерно 63% [9—15]. Дистиллятное топливо может быть получено из сланцевой смолы при к. п. д. примерно 67% [9—12]. Для получения из сланцевой смолы высоко очищенного топлива, подобного бензину и дизельному топливу, требуется больше энергии, чем для получения тех же продуктов из нефти, потому что сланцевая смола обычно содержит больше высокомолекулярных парафиновых углеводородов и значительно больше азота, че» нефть. Поэтому для удовлетворения жестких нормативов сланцевая смола может потребовать более глубокой и комплексной переработки.

К. п. д. производства потенциальных топлив из сланцевой смолы в зависимости от метода получения смолы из горючих сланцев, а также типа горючих сланцев может колебаться.

Топлива из угля. К. п. д. производства измельченного угля в зависимости от требуемых размеров частиц и содержания влаги и золы равен 95% [16, 17]. Измельченный уголь экстрактной очистки получается при меньшем к. п. д. процесса производства, равном 87% [18, 19]. Однако такой уголь содержит значительно меньше золы и серы, чем исходный измельченный уголь [19]. Жидкое топливо из угля может быть получено путем его гидрогенизации и газификации.

Из жидких топлив, получаемых путем гидрогенизации, наиболее высокая эффективность, повидимому, у таких синтетических продуктов. Этот вид малосернистого жидкого топлива, практически не содержащего золы, может получаться при к. п. д. производства примерно 70% [9, 20—29]. При более глубокой очистке таких синтетических продуктов с целью получения дистиллятного топлива с малым содержанием серы и азота, к. п. д. производства снизится. Наконец, при получении дизельного топлива и бензина он составит 55% [20—29].

Для производства жидкого топлива из синтетического газа, получаемого из угля, требуется по сравнению с методом гидрогенизации больше технологической энергии [30—32]. При этом могут быть получены метанол, а также парафиновые и олефиновые жидкие углеводороды (процесс Фишера—Тропша).Для метанола к. п. д. производства оценивается в 43%, в то время как для жидких углеводородов — 37% [9, 20,30—32].

Для одинаковых видов топлива из угля требуется больше энергии, чем при получении их из нефти или из горючих сланцев. Это связано с тем, что в угле содержится значительно меньше водорода, чем в нефти и сланцевой смоле [19]. Кроме того, химически уголь представляет более сложную структуру, а в его составе обычно содержится больше золы, влаги, серы и азота, чем в нефти [19, 33, 34].

Эффективность производства топлива из углей будет сильно изменяться в зависимости от их вида, содержания влаги и состава. Она будет также зависеть от применяемой технологий переработки угля и требуемых характеристик получаемого топлива. В, (большинстве случаев технология получения различного топлива из угля, находится в стадии разработки. Поэтому потребуется некоторое время для того, чтобы можно было получать жидкое топливо из угля в больших количествах.

Топливо из биомассы. Из биомассы могут получаться в основном два вида топлива — спирты (главным образом этанол) и жидкие углеводороды, подобные дистиллятному топливу. К. п. д. производства этанола оценивается в 35% [33, 35], а жидких углеводородов — в 25% [36—38].

Жидкое топливо, получаемое с помощью ядерной энергии. В охлаждаемых водой ядерных реакторах с помощью тепла или электроэнергии из воды может быть получен водород. Взаимодействуя с окислами углерода, поручаемыми разложением известняка, водород образует метанол или жидкие углеводороды (процесс Фишера—Тропша). К.п. д. производства водорода с помощью ядерной энергии равен 25—30% [39, 40]. Согласно нашей оценке, общий к. п. д. процессов получения метанола и жидких углеводородов с помощью ядерного реактора равен соответственно 20, и 17,% [39,41]. Нами не рассматривался процесс с применением реакторов-размножителей или термоядерных реакторов изза неясности их перспектив,

Электроэнергия, получаемая из первичных источников энергии. Одним из путей использования первичных источников энергии является получение, электроэнергии, которая может быть использована в автомобилях, работающих на электрических аккумуляторах. Для того, чтобы из таких источников энергии, как нефть, горючие сланцы, уголь и биомасса, получать электроэнергию, они должны подвергнуться предварительной обработке. Поэтому к. п. д. получения электроэнергии из таких источников энергии равен произведению к. п. д. производства топлива на к. п. д. работы электростанции. В нашей работе мы исходили из к. п. д. атомной электростанции 40% [42, 43]. Согласно оценке, кпд производства электроэнергии из пяти перечисленных источников автомобильного топлива представлена на рис. 3.

В качестве энергетического топлива для электростанций с успехом могут быть использованы очищенная нефть, гидрогенизированная сланцевая смола и измельченный уголь; умножая к. п. д, производства этих топлив на 40%ный выход, получим соответственно к. п. д. производства электроэнергии: 39, 30 и 38%.

Биомассу перед применением необходимо высушить, очистить и измельчить. Согласно нашей оценке, используемый вид биомассы может быть получен при 75%ном к п. д. производства [44]:

Таким образом, к.п.д. производства электроэнергии из биомассы будет равен 30% [44, 45].

К п. д. производства электроэнергии и_ к п. д электростанций при использовании в качестве источника энергии ядерного реактора одинаковы. Вообще говоря, к п. д ядерной установки ниже к. п. д современной паровой установки на ископаемых горючих. Исходя из этого, мы считаем, что электроэнергия с помощью ядерного реактора с водяным охлаждением получается при к п. д. 35% [42, 43].

Свойства топлив и совместимость топлива и двигателя. Несмотря на то что эффективность производства топлива является важным фактором, она — лишь один из многих критериев, определяющих выбор потенциального топлива будущего. Решающее значение имеют также физические и химические свойства топлива, поскольку они определяют совместимость его с двигателем. Будущие двигатели станут, очевидно, создаваться на основе усовершенствования и развития современных двигателей, к которым относятся дизельные двигатели, различные двигатели с искровым зажиганием и послойным распределением заряда топлива, газотурбинные двигатели, паровые двигатели, двигатели Стирлинга и электродвигатели с аккумуляторами. Некоторые представления о требованиях этих двигателей можно получить на основании опыта применения нефтяного топлива.

К характеристикам топлива, от которых зависит удовлетворительная работа двигателя, относятся: сгорание, испаряемость, содержание загрязнений, вязкость, объемная энергоемкость, плотность и безопасность при обращении с ними. Характеристики сгорания особое значение имеют для двигателей с прерывистым воспламенением, поскольку от них зависит детонационная стойкость топлива (октановая характеристика) или способность его быстро воспламеняться после сжатия (ацетоновая характеристика) Испаряемость топлива должна соответствовать применяемой системе сгорания. Наличие загрязнений, подобных сере, азоту и золе, нежелательно. При высоком содержании серы и азота могут образоваться двуокись серы, сульфаты и окислы азота, в связи с чем возникнут проблемы предотвращения загрязнения окружаю щей среды. Кроме того, высокое содержание серы и золы оказывает отрицательное влияние на ресурс двигателя. Удаление этил-загрязнений обычно связано с дополнительными расходами энергии, и, возможно, что качество будущего топлива придется доводить до качества современного нефтяного топлива.

Вязкость и объемная энергоемкость, а также плотность топлива для удовлетворительной работы двигателей, может быть будут иметь меньшее значение, однако они могут влиять на характер оборудования для хранения, перекачки и измерения количества топлива. Значительно больше трудностей представляет определение свойств потенциальных топлив для будущих двигателей. Большинством таких топлив мы не располагаем в достаточных количествах для проведения лабораторных исследований и моторных испытаний. Поэтому невозможно точно оценить их физические и химические свойства. Тем не менее, по литературным данным [3, 4, 19, 23, 32, 46—51], данным анализа природы первичных источников энергии [15, 19, 25, 34, 52], а также характеристик процессов получения топлив [3, 9, 12, 15, 19, 30, 53] можно составить четкое представление о свойствах будущих топлив.

В табл. 3 приводится прогноз свойств возможных топлив, представленных на рис. 2. В этой таблице «высокая» и «низкая»

представляют собой относительные термины в современном смысле, используемые для сравнения свойств с нефтяными топливами. Обозначения «Да» или «Нет» представляют собой упрощение при относительном сравнении свойств топлив. Можно надеяться, что в будущем мы будем располагать большим количеством топлива для проведения лабораторных исследований с целью получения более точной характеристики.

Некоторые пояснения необходимо дать относительно терминов «октановая характеристика» и «цетановая характеристика». Если дистиллят, полученный из угля, содержит большое количество ароматических углеводородов [19, 23, 34], то можно полагать, что он будет иметь высокую октановую характеристику и низкое цетановое число. Аналогично этому, если дистиллят, полученный из сланцевой смолы, будет содержать большое количество парафиновых углеводородов [12, 47, 49, 50], то, вероятно, он будет иметь высокое цетановое число и низкую октановую характеристику. Таким образом, эти термины лишь приблизительно отражают октановые и цетановые характеристики топлива. Действительные октановые и цетановые характеристики можно определить по их углеводородному составу.

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ АВТОМОБИЛЬНЫЕ ТОПЛИВА
Перевод: А.П. Чочиа
Под редакцией: профессора Я.Б. Черткова
Москва, 1982