Застосування спирту етилового як моторного палива

З початку 70-х років XX століття безперервно зростала ціна на нафту. У Західних країнах, приміром, за останні 10 років це зростання було майже десятикратним. При­чина цього - обмежені запаси нафти на Землі і монополія на поставки нафти тими країнами, в яких вона добувається. Паралельно із зростанням цін на нафту та скорочен­ням її запасів велися пошуки альтернативних джерел енергії і, в першу чергу, в тих країнах, де було або дуже велике споживання енергії (це країни з розвиненою промис­ловістю і транспортом), або в країнах, що розвиваються, які не мають нафтових дже­рел і достатньо коштів для купівлі необхідної кількості нафтопродуктів.

Одним з альтернативних джерел енергії є етанол.

У 1979 році інтернаціональна робоча комісія ООН наполегливо запропону­вала більш широке застосування етанолу для зниження імпорту нафти. Придат­ність етанолу як енергоносія, в тому числі і як палива для карбюраторних двигу­нів внутрішнього згоряння була встановлена відразу ж після появи перших авто­мобілів.

У 1980 році в США було вироблено біля 115 млн. дал етанолу і працювало більше 1000 заправочних станцій з так званим «газохолом» - сумішшю етанолу з

бензином. Крім Сполучених Штатів, спирт як пальне широко використовується в Угорщині, Австрії, Бразилії, Німеччині, Італії, Польщі, Чехії та Словаччині.

У Бразилії виробництво етанолу для використання як пального для автомобі­лів почато в 1975 році. У сезон 1980-81 років було вироблено за різними даними від 240 до 400 млн. дал етанолу, в основному з цукро- і крохмалевмісної сировини. Основна його частка використовувалась як джерело енергії. Етанолом замінювали­ся нафтопродукти.

Як у США, так І в Бразилії для забезпечення виробництва такої кількості етано­лу було збудовано ряд нових спиртових заводів потужністю 50 та 100 тис. дал/добу.

Значну кількість етанолу як добавки до бензину виробляє Індія, яка забез­печує власні потреби у нафті значною мірою внаслідок її імпорту. Індія має над­лишки цукрової тростини, зерна, картоплі, що полегшує задачу виробництва етанолу.

Були розроблені плани кооперування Німеччини та Бразилії в галузі виробниц­тва етанолу. Для забезпечення потреби в етанолі обох країн, як показали розрахунки, достатньо було використати під цукрову тростину 2 % засівних площ Бразилії.

Франція в 1990 році скоротила виробництво пального з нафти вдвічі порівня­но з 80-ми роками за рахунок використання етанолу. При додаванні 10 % етанолу до бензину було заощаджено 1,5 млн. тонн нафти.

Куба після другої світової війни як пальне для автомобілів використовувала суміш 20 % етанолу з бензином. Сировина для виробництва етанолу - цукрова тростина і меляса.

Проблема використання етанолу як пального розробляється в Японії, Новій Зеландії. Етанол у кількості 15 % додається до бензину на Філіпінах (так званий "алкогас"). Програма повної або часткової заміни бензину етанолом реалізується в Австралії. Над цією проблемою працюють також у Нікарагуа, Парагваї і ряді інших країн.

Під час приготування суміші етанол-бензин, що використовується як моторне паливо, етанолу додають від 8 до 55 %. Як було зазначено вище, використовується й один етанол без бензину. Етанол може бути як безводним так і "водним", з об'єм­ною часткою води до 4 %. Об'ємна частка етанолу, що додається до бензину, зале­жить від багатьох чинників. При додаванні до 20 % етанолу не потрібно переробля­ти двигуни, які розраховані на використання бензину. Це має рішучий вплив на вибір кількості етанолу, що додається. Має вплив також співвідношення цін на ета­нол та бензин. Кількість етанолу, що додається до суміші, змінюється залежно від можливостей виробництва етанолу в тій чи іншій країні або навіть в окремих регі­онах однієї країни.

Додавання етанолу до бензину збільшує октанове число останнього. Встанов­лено, що кожні 3 % етанолу, який додається, збільшують октанове число бензину на 1...1,5 одиниці.

Властивість етанолу збільшувати октанове число дозволяє використовувати для приготування суміші дешевий низькооктановий бензин і, що не менш важливо, позбутися застосування отруйних антидетонаторів, таких як тетраетилсвинсць, бе-

нзол, толуол, вуглеводні з бічними ланцюгами, метилтретбутиловий ефір, сполуки марганцю.

Дослідження, що були проведені в Бразилії, показали, що використання сумі­ші із 45 % низькооктанового бензину і 55 % водного етанолу дозволяє заощадити до 25 % пального.

Використання газохолу знижує токсичність вихлопних газів. Вміст вуглевод­нів зменшується на 4,5 %, окислів азоту - на 5,7 %, окису вуглецю - на 26,3 % порівняно з чистим бензином.

Як моторне паливо може використовуватись і розчин етилового спирту, який містить значну кількість води.

При об'ємній частці спирту від 100 до 80 % за даним ступенем стиснення і даним навантаженням витрата спирту зростає прямо пропорційно вмісту води. Тому, краще працювати на спирті вищої концентрації.

Як зазначалося вище, як компонент етанольно-бензинової суміші може бути використано як безводний, так і водний етанол з об'ємної часткою води не більше, ніж 4 %. Водний етанол має перевагу внаслідок його меншої вартості. Зневоднення пов'язано із значними витратами енергії. У той же час використання водного етано­лу збільшує незручності, які пов'язані з розшаруванням суміші етанол - вода.

Безводний спирт (об'ємна частка не нижче 99 %) змішується з бензином в будь-яких співвідношеннях. Суміш бензину з безводним спиртом не розшарову­ється навіть при досить низьких температурах. При більшій об'ємній частці води в спирті здатність його до розшарування збільшується. У таблиці 14.1 наведено температури, при яких починається розшарування однорідної суміші. Як видно з таблиці, в разі використання водного етанолу з масовою часткою 95,5 %, темпе­ратура розшарування знижується при збільшенні концентрації спирту в суміші. Для отримання гомогенної суміші, яка не розшаровується при температурі до мі­нус 60° С, до суміші необхідно додавати різноманітні стабілізатори. Як стабілізатори застосовують суміші вищих спиртів - бутилового та амілового або ароматичних вуг­леводнів.

Таблиця 14.1 Температура розшарування спирто-бензинових сумішей

 

Масова частка компонентів суміші, %	Температура розшарування суміші, °С
Етиловий спирт	Авіабензин Б-70	99,5	97,5	95,5
		мінус 65	мінус 15	+ 13
		мінус 63	мінус 23	+ 10
ЗО		мінус 70	мінус 28	+2

В останні роки для запобігання розшаруванню запропоновано кавітаційний метод, у якому для обробки сумішей як змішувач та гомогенизатор використовуєть­ся гідромеханічний кавітаційний генератор.

Кавітаційно-кумулятивна дія дозволяє інтенсифікувати багато технологічних процесів, які здійснюються в рідинному середовищі, і насамперед, процеси масоо­бміну, за рахунок утворення при лопанні кавітаційних бульбашок кумулятивних мікроструминок і перетворення останніх на мікрохвилі дуже великої питомої інте­нсивності. Це дозволяє отримувати високу однорідність сумішей рідин, які змішу­ються. Тому в процесах емульгування, гомогенізації, надтонкого перемішування, особливо для рідин, які взаємо не змішуються, використання гідродинамічного ка­вітаційного впливу відкриває широкі перспективи.

Вартість етанолу залежить від багатьох чинників.

У Бразилії завдяки надлишку сировини, дешевої робочої сили, наявності доб­ре відпрацьованої технології та високої ціни нафти, що імпортується, етанол у 60-х роках був на 40 % дешевший найбільш низькоякісного бензину. Це й визначи­ло тенденцію до заміни бензину етанолом.

У європейських країнах, як правило, етанол, що виробляється навіть з побіч­них продуктів харчової промисловості або відходів сільськогосподарської сирови­ни, є дещо дорожчим за бензин. Але, незважаючи на це, застосування етанолу в суміші з бензином часто-густо є економічно доцільним.

Кожний декалітр етанолу дозволяє заощадити більше 2,5 декалітрів сирої на­фти, а кожний декалітр етанолу, що додається до низькооктанового бензину, заоща­джує 1,6 декалітрів бензину.

Через те, що для газохолу використовується низькоякісний бензин, вихід яко­го з сирої нафти є більшим, ніж високоякісного, застосування газохолу сприяє більш повному використанню нафти.

Для того, щоб використання газохолу було економічно доцільним, необхідна певна економічна політика держави - зниження податків для виробників етанолу, який використовується у складі моторного палива, зниження акцизних зборів й таке інше. У ряді країн така політика здійснюється. Для заохочення споживання газохо­лу уряд США запровадив пільги, які дозволили зробити газохол дешевшим за чис­тий бензин.

Вплив пільг на ціну газохолу в США ілюструється даними, які наведені в таб­лиці 14.2. Як видно з таблиці, менша ціна газохолу зумовлена відсутністю податку на нього.

Необхідно звернути увагу на те, що в сумі виробничих витрат на долю енергії припадає біля 30%, а найбільший споживач енергії на спиртзаводі - відділення бра-горектифікацІЇ. Через те, що для газохолу може бути використаний етанол, який містить домішки та воду, об'ємна частка якої сягає 4 %, витрати енергії на дистиля­цію значно знижуються. За попередніми розрахунками вони складатимуть для укра­їнських спиртзаводів не більше 80 % витрат енергії по відношенню до виробницт­ва етанолу вищої очистки.

Таблиця 14.2 Складові елементи ціни (для споживача) 1 літра чистого бензину і 1 літра газохолу (з 10 % етанолу), в доларах США

 

Статті витрат	Бензин	Газохол
Бензин (0,150 дол. за 1 літр)	0.150	0,134
Етанол (0,394 дол. за 1 літр)	—	0,039
Транспортні витрати	0,023	0,023
Податки	0,031	—
ТоргІвельне обслуговування	0,028	0,028
Разом:	0,232	0,224

Враховуючи можливість зниження собівартості етанолу внаслідок уникнення процесів очищення та зменшення його концентрації порівняно з етанолом вищого очищення, а також враховуючи економію у витраті чистого бензину, застосування бензоспиртових палив з об'ємною часткою етанолу до 10 % в умовах України є економічно доцільним, не кажучи вже про часткове зниження дефіциту нафти за рахунок використання газохолу та поліпшення екологічного становища в Україні. Починаючи з 1999 року паливний етиловий спирт під торговою маркою «ВКД» (високооктанова кисневовмісна добавка до бензинів) виробляється в Україні. Тех­нологія та нормативно-технічна документація ВКД розроблені в УкрНДІспиртбіо-прод.