Технология, разработанная исследователями из Национальной лаборатории Pacific Northwest (PNNL) при Министерстве энергетики США, может увеличить экономию топлива и снизить выбросы парниковых газов в рамках системы, предоставляющей топливо по требованию.
Предназначенная для работы с имеющимся в автомобиле топливом, технология разделения на борту является первой, в которой используется химическая, а не физическая мембрана для разделения смешанного с этанолом бензина на компоненты с высоким и низким октановым числом. Система поставки по требованию может отмерить соответствующую топливную смесь для двигателя, в зависимости от требуемой мощности – с низким октановым числом для холостого хода, с более высоким для ускорения.
Исследования показали, что подход, основанный на подаче топлива по требованию, может повысить экономию до 30 процентов и сократить выбросы на 20 процентов. Но до сих пор первапорационные мембраны, использующиеся для тестирования систем, оставляют почти 20 процентов ценных высокооктановых компонентов топлива в бензине.
Опытный образец с тремя различными химическими составами, запатентованная технология PNNL, отделяет 95 процентов этанола из коммерческого бензина. Материалы также эффективны для отделения бутанола, перспективного высокооктанового возобновляемого компонента топлива.
Рынок готов к технологиям, улучшающим экономию топлива
Двигатели с высокой степенью сжатия, которые выжимают все из каждой капли топлива – это двигатели будущего. К сожалению, они усугубляют неприятную проблему, известную как стук в двигателе. Подобно велосипедисту, чьи ноги соскользнули с педалей и ударились о землю, стук слышится, когда поршень двигателя и последовательность сгорания на мгновение не синхронизируются, обычно во время ускорения. Стук может лишить транспортные средства мощности и даже вызвать повреждение двигателя.
Высокооктановое топливо может устранить стук, но производить его дорого. Этанол является недорогой топливной добавкой, которая повышает октановое число для борьбы со стуком. Присадка сдерживает выбросы парниковых газов, но снижает эксплуатационные характеристики автомобиля и влияет на расход топлива. Когда автомобиль сжигает топливо на холостом ходу, он тратит драгоценное высокооктановое топливо, необходимое для ускорения.
Вот тут-то и может пригодиться технология разделения от PNNL. Она оптимизирует доступное топливо, обеспечивая правильное распределение в нужное время.
Аллан Туан, менеджер по коммерциализации в PNNL, отмечает, что федеральные требования США как к возобновляемому топливу, так и к увеличению экономии топлива, делают новые стратегии, такие как выдача разного по октановому числу топлива более важными и актуальными, чем когда-либо.
«С ростом использования этанола и других видов биотоплива такая технология разделения в автомобиле, означает, что нам не нужно выбирать между снижением выбросов парниковых газов и экономией топлива», – отмечает Туан.
Опыт химического разделения позволит улучшить показатели
Тим Бейс, химик из Отдела энергетических процессов и материалов PNNL, возглавлял исследовательскую группу. Вместе с коллегами Джоном Линеханом, Дэвидом Хелдебрантом и Кэт Грубель он разработал три новых подхода для отделения этанола от бензина в машине.
Цель каждого подхода состояла в том, чтобы связать этанол, а затем выпустить его обратно, когда необходимо. Все три химические системы работали эффективно, но один подход имеет наименьшее количество барьеров на рынке – амины на твердой подложке с многоразовым кремнеземистым сорбентом.
Для аминов используются самосборные монослои на мезопористых подложках или SAMMS, технология, впервые примененная в PNNL учеными Гленом Фрикселлом и Томасом Земаняном. SAMMS распространилась на множество различных коммерческих приложений. Бэйс ранее работал с Фрикселлом, Земанианом и другими над технологией отделения диоксида углерода, которую ВМС США сейчас используют для очистки воздуха на своих подводных лодках. Эти и другие достижения PNNL в области химического разделения и исследований выбросов транспортных средств послужили толчком к идеям разделения, которыми вдохновилась команда.
Основываясь на ранних отзывах, ученые отказались от двух других методов и сосредоточились на подходе SAMMS. Бэйс отмечает, что самым большим научным вопросом на данный момент является материальная стабильность или деградация с течением времени. Другие вопросы связаны с разработкой, в частности, временем, стоимостью и весом.
«Каждый раз, когда вы усложняете автомобиль, появляются новые барьеры. Нам просто нужно сделать технологию максимально простой и практичной, чтобы она была прозрачной для потребителя», – отмечает Бэйс.
Следующий шаг: уменьшение количества сажи
По словам Бэйса, результаты испытаний показали, что материалы для разделения могут преимущественно удалять ароматические углеводороды из топлива. Ароматики – это бензиновые компоненты, полученные из сырой нефти. Они повышают октановое число, но также образуют частицы сажи, особенно во время запуска, когда двигатель холодный. Уменьшение количества этих частиц является приоритетом для новых, более чистых видов топлива.
Команда PNNL считает, что с дальнейшим развитием технологии ароматические вещества могут быть вновь введены в более теплый, работающий двигатель, чтобы уменьшить вредные выбросы при холодном запуске. Эта проблема является общей для бензиновых и дизельных двигателей.
Предварительные исследования команды были опубликованы в ACS Energy and Fuels.