В настоящее время отнесение топлив к той или иной категории в ряде случаев достаточно условно, особенно для углеводородных композиций. Тем не менее, изложение сведений по заявленному направлению требует использования вполне определенной методики, в основе которой должна лежать, прежде всего, систематизация или естественная классификация альтернативных топлив. С увеличением объема информации роль систематизации возрастает не только количественно. Появляются качественно новые проблемы. Возрастает, в частности, роль структуры классификации, которая все более приобретает свойства системной триады, в том виде, как она понимается известным ученым Р.Г. Баранцевым. Ясно, что наилучшей является та классификация, которая не только содержит в себе максимальную информацию, но и позволяет с максимальной скоростью ее извлекать.
В общем случае в системологии различаются три формы классификации: комбинаторная, иерархическая и параметрическая:
1. При комбинаторной классификации выделяется некоторое количество признаков и рассматриваются их значения. Очевидный недостаток такого подхода: равноправие и независимость признаков. Любой фактор либо совсем не учитывается, либо, будучи включенным, сразу становится полноправным признаком. И чем шире становится набор признаков, тем важнее эффект корреляций, взаимозависимости, которая в этой схеме совсем не учитывается.
2. Иерархическая форма системы характеризуется наличием разных уровней общности. Это структуры типа филогенетического дерева. Они широко используются в биологии.
3. Параметрическая форма строится по немногим управляющим параметрам, с которыми остальные, подчиненные, связаны коррелятивно, так что все свойства объекта, как и ожидается от естественной системы, определяются их положением в системе. Управляющие параметры могут формироваться путем объединения сходных признаков в более сложные, определяющие комплексы. Наиболее яркий пример - таблица Д.И. Менделеева.
Топлива могут быть как практически индивидуальными веществами (метан, водород), так и композициями не всегда определенного состава, отвечающими определенным техническим требованиям. И все-таки их наиболее существенным признаком является химический состав. Поэтому на первом этапе предлагается рассматривать различные виды альтернативных топлив, исходя из элементного состава веществ, принимающих участие в процессе энерговыделения - окисления в мобильных установках в рамках элементной триады: углерод - водород — кислород. Это, естественно, не единственный, а только самый распространенный вариант энерговыделения в мобильных двигателях.
Далее уже строится соответственно триада из альтернативных топлив, являющихся горючими веществами: углеводороды - кислородпроизводные углеводородов - водород. Каждая из компонентов, в свою очередь, может разбиваться на уже подчиненные триады, например, в соответствии с ресурсами, что обеспечит структурированный охват большого массива информации.
В соответствии с таким подходом строится все изложение подобранного материала по альтернативным топливам. Происхождение веществ в данном случае не имеет существенного значения, ибо оно влияет только на переменные во времени технико-экономические условия применения топлив.
По физико-химическим свойствам и условиям хранения на борту транспортных средств альтернативные моторные топлива могут быть разделены на три группы:
1. Топлива на нефтяной основе с добавками ненефтяного происхождения в виде кислородсодержащих соединений (спиртов и эфиров, водно-топливных эмульсий); по эксплуатационным свойствам они близки к нефтяным дистиллятным топливам. Разработка моторных топлив на базе только нефтяного сырья, отвечающих современным экологическим требованиям, - путь малоперспективный. Почти всегда улучшение экологических характеристик нефтяных моторных топлив большей частью сопровождается ухудшением их эксплуатационных качеств. Так, уменьшение содержания ароматических и олефиновых углеводородов до нормативных значений приводит к снижению октанового числа. Для повышения октанового числа используются кислородсодержащие добавки, которые частично обеспечивают детоксикацию выхлопных газов.
2. Синтетические (искусственные) жидкие топлива, идентичные (или близкие) по свойствам традиционным нефтяным топливам и получаемые при переработке жидкого, газообразного или твердого сырья. В эту группу могут быть отнесены бензины, реактивные, дизельные и газотурбинные топлива, полученные из тяжелых нефтей, природных битумов, угля, горючих сланцев, бензины, полученные из метанола в процессе «Моbil», а также топлива, полученные прямым синтезом из СО и Н2. Сюда же можно было бы отнести и нефтяные моторные топлива, получаемые в процессах термокаталитической переработки нефтяного сырья, осуществляемой с целью увеличения их выхода из нефти или улучшения качества, однако во избежание осложнения в терминологии целесообразно считать такие топлива традиционными или нефтяными. Синтетические жидкие при нормальных условиях углеводородные топлива, которые относят к альтернативным, получают путем переработки различных видов сырья: твердого (уголь, горючие сланцы, сапропелит), газообразного (природные и синтетические смеси) и жидкого (низкокачественные дистилляты).
Многостадийность превращений, проведение их зачастую при высоких температурах и давлениях, использование большого числа процессов очистки и потребление иногда значительных количеств специально производимого водорода, а также необходимость осуществления природоохранных мероприятий приводят к существенному росту удельных капитальных и эксплуатационных затрат на производство моторных топлив этого типа по сравнению с традиционным нефтяным сырьем.
Однако энергокризис 1973-1975 г. и непрерывный рост цен на нефть и газ в последние годы заставил ведущие мировые державы вновь развернуть работы по получению синтетических топлив, и в первую очередь жидких, на основе традиционных твердых энергоносителей, потому что жидкие энергоносители наиболее удобны для применения. Они не требуют реконструкции транспортных средств и создания новой инфраструктуры по транспортированию, хранению и распределению топлив.
Большинство искусственных продуктов подобного типа имеет давнюю, порой многовековую историю. Например, история переработки и топливного использования, горючих сланцев восходит к XVIII в.; процессы ожижения угля имели достаточно широкое промышленное применение в 1930—1940-х годах. Поэтому, рассматривая сегодня производство жидких топлив из различных, альтернативных нефти сырьевых источников, правильнее говорить не столько об открытиях последних десятилетий, сколько о возрождении старых процессов в условиях новой ресурсной ситуации и современного уровня развития науки и техники.
3. Ненефтяные топлива существенно отличающиеся по физико-химическим и эксплуатационным свойствам и (в отдельных случаях) по агрегатному состоянию от традиционных. К этой группе могут быть отнесены спиртовые топлива, применяемые в чистом виде (метанол, этанол и их смеси с высшими спиртами), а также газообразные топлива - природный компримированный (сжатый) газ, природный сжиженный газ, сжиженный нефтяной газ (пропан-бутан), аммиак, водород, генераторный и другие искусственные газы. Использование топлив последней группы требует модификации двигателей и систем хранения топлива.
Уже сейчас можно сказать, что экологически чистое нефтяное топливо высокого качества с хорошими эксплуатационными характеристиками по существу является синтетическим жидким топливом с измененным углеводородным составом и специальными добавками. Становится все более ясным, что единственным экономически приемлемым путем повышения экологических характеристик транспортных средств является перевод их на альтернативные топлива, обеспечивающие безусловное сокращение вредных выбросов в окружающую среду двигателями до уровня, отвечающего современным жестким нормам. О необходимости перехода на другие виды топлива задумывались уже в те времена, которые сейчас относятся практически к началу интенсивного развития нефтехимического синтеза и нефтепереработки.
В связи с незначительными изменениями, а в ряде случаев и сохранением технико-эксплуатационных характеристик автомобилей, при использовании альтернативных топлив первых двух групп целесообразность и эффективность их применения определяются ресурсной базой и технико-экономическими показателями производства топлив. Для использования топлив третьей группы необходимо модифицировать двигатели и использовать специальные бортовые системы хранения. Так, природный газ можно хранить на борту транспортного средства в сжатом виде под давлением 20 МПа или в жидком виде в криогенных емкостях, водород - в жидком виде или в составе металлогидридов и т. д. Таким образом, эффективность применения топлив данной группы определяется технико-экономическими показателями как процессов производства топлив, так и транспортного процесса. Кроме того, применение этих топлив требует создания специальной распределительной сети.
4. В самостоятельную группу выделяют добавки ненефтяного происхождения - спирты, природный газ, водород и др. - с автономной, раздельной от основного нефтяного топлива подачей в двигатель (что требует дооборудования силовой установки и наличия двух топливных баков). Эффективность использования топлива в подобных системах определяется, наряду со стоимостью топлив, технико-экономическими показателями транспортного процесса и затратами на дооборудование энергосиловой установки.
Для правильной оценки эффективности системы «топливо - двигатель» с учетом предложенной классификации наряду с определением эффективности производства топлив необходимо учитывать и комплекс технологий и затрат, связанных с применением альтернативных топлив и их совместимостью с двигателем.
На Международной конференции по энергетическим ресурсам, состоявшейся в 1979 г. в г. Монреаль (Канада), к «традиционным» источникам углеводородов были отнесены залежи легких и средних нефтей, природные газы и газовые конденсаты, а к «нетрадиционным» - скопления тяжелых нефтей и твердых битумов, а также жидкие и газообразные углеводороды, которые можно получать из углей, битуминозных песчаников, горючих сланцев, газогидратов, биомассы, торфа, промышленных и городских отходов. В связи с тем, что ряд используемых понятий не имел достаточно четкого определения, на XI Мировом нефтяном конгрессе была предложена единая классификация всех типов природных углеводородов. В качестве основных классификационных параметров для всех источников углеводородов, встречающихся в природных резервуарах, были приняты агрегатное состояние, плотность и вязкость и рекомендованы следующие определения:
· Петролеум - природная смесь преимущественно углеводородного состава, существующая в газообразном, жидком или твердом состоянии; это общий термин, относящийся ко всем смесям природных углеводородов;
· Углеводороды представляют собой химические соединения, состоящие целиком из водорода и углерода; они включают нефть, природный газ и природные смолы;
· Нефть или сырая нефть - это та часть природных углеводородов, которая существует в жидком состоянии в пластовых условиях в природных резервуарах и остается жидкой при атмосферных температурах и давлении; ее вязкость в обычных условиях не превышает 10000мПа-с.
Для подразделения сырой нефти на легкую, среднюю и тяжелую рекомендуется четкое указание диапазонов плотности. Верхний предел при этом задается плотностью воды при 4°С (1000 кг/м3 или 10°АНИ). Нефть плотностью выше этого уровня считается сверхтяжелой, а для остальных типов нефтей принято следующее деление по плотности: тяжелая нефть - 1000- 920 кг/м3 (10,0-22,3° АНИ), средняя нефть - 920-870 кг/м3 (22,3- 31,1°АНИ) и легкая нефть -менее 870 кг/м3 (более 33,1°АНИ).
· Природный газ - это та часть природных углеводородов, которая существует в газообразном состоянии или растворена в нефти в пластовых резервуарах и представляет собой газ при атмосферных температурах и давлении; Природный газ является в настоящее время одним из основных бытовых и экологически чистых промышленных топлив. Он используется также в качестве сырья для производства водорода, технического углерода (сажи), этана, этилена, ацетилена.
· Газоконденсатные жидкости - представляют собой ту часть природного газа, которая в пластовых условиях в природных резервуарах существует в газообразном состоянии либо растворена в нефти и переходит в газообразное состояние в процессе добычи, но на наземных установках превращается в жидкость.
· Природные смолы - это та часть петролеума, которая существует в естественных залежах в полутвердом или твердом состоянии. Их вязкость в пластовых условиях превышает 10 000 мПа-с. Перед переработкой природных смол требуется их специальная предварительная обработка. К природным смолам относятся, прежде всего, природные битумы.
Исходя из сложившейся структуры сырьевой базы к традиционным ресурсам для производства моторных топлив следует отнести углеводороды, характеризуемые понятием «сырая нефть», но включающие только легкие и средние ее виды.
К альтернативным ресурсам (нетрадиционным) для непосредственного производства моторных топлив могут быть отнесены следующие: тяжелые нефти, промышленная технология добычи, транспорта и переработки которых в настоящее время не полностью отработана либо неконкурентоспособна по сравнению с имеющимися технологиями для обычных нефтей при существующих уровнях затрат; природные битумы во всех их разновидностях и проявлениях; каменные и бурые угли; горючие сланцы; природный (естественный) газ; вторичные ресурсы, включающие сжиженный газ (углеводороды С3-С4), получаемый при переработке нефти, природного и попутного газов, а также коксовый, доменный, генераторный газы и др.; биомасса (древесина, морские водоросли, сельскохозяйственные культуры и отходы их переработки и использования и т. п.).
Альтернативные сырьевые ресурсы по своему характеру многофункциональны. Это проявляется в выборе технологии для одного и того же сырья и получении различных видов топлив, а из сырья различных видов - одного и того же топлива.
В зависимости от теплоты сгорания альтернативные топлива делят на три группы:
с высокой энергоемкостью (на уровне бензина - Нб);
средней – (около 0,5Нб);
низкой - ниже 0,5Нб.
В соответствии с видом заправочных станций, требуемых для распре-деления альтернативных топлив, их подразделяют на 4 группы:
1) распределямые обычными автозаправочными станциями (АЗС);
2) распределяемые газонаполнительными станциями для сжиженных газов;
3) выполняющие заправку газом высокого давления;
4) требующие принципиально новых методов распределения (заправка сжиженным топливом при низких температурах, заправка газогенераторных автомобилей и т.д.).