Автомобильное топливо: аммиак

В последнее время аммиак все чаще рассматривают в качестве экологичной и при этом недорогой альтернативы традиционным дизтопливу и бензину. Многочисленные исследования и практическое применение доказали, что его можно использовать как весьма эффективное топливо для двигателей внутреннего сгорания, в процессе сжигания которого образуется минимальное количество опасных для окружающей среды компонентов. 

Темой нашего сегодняшнего разговора станет раствор аммиака как автомобильное топливо. Способно ли оно восполнить потребности современной автомобильной отрасли и при этом стать панацеей для экологии?

Формула и физические свойства аммиака

Аммиак, формула которого выглядит как NH3, представляет собой простейшее химическое вещество, соединение азота и водорода. На основе аммиака выпускают целый ряд продуктов, нашедших свое применение во многих отраслях промышленности и народного хозяйства.

Из него получают удобрения и азотную кислоту, его используют для проявки фотокопий, для заправки холодильных установок и для массы других целей. Аммиак является одним из наиболее востребованных веществ в современной химической промышленности, а в последнее время он нередко применяется и как синтетическое топливо для автомобилей. 

С точки зрения физических свойств аммиак при нормальных условиях представлен в виде бесцветного газа с едким специфическим запахом. Он ядовит, в большом количестве способен растворяться в воде (водный раствор аммиака – это не что иное, как хорошо знакомый каждому нашатырный спирт).

Энергетические характеристики вещества несколько ниже, чем у водорода и бензина, а вот плотность довольно высокая.

Важно

Это позволяет рассматривать его как неплохую замену традиционному автомобильному топливу. Несмотря на то, что теплотворная способность аммиака равна 22,5 МДж/кг, его энергоемкость находится на уровне 3,2 кВтч/кубометр, что даже выше, чем у водорода (3,03 кВтч/кубометр).

Преимущества аммиака перед бензином и дизтопливом

Ключевым достоинством аммиачного топлива считается его экологичность. В процессе горения этого вещества в цилиндрах ДВС образуется меньшее количество серных соединений и углекислого газа, а выбросы метана, сажи, монооксида углерода стремятся к нолю. Неполнота сгорания также минимальна. 
Говоря о преимуществах аммиака более четко, необходимо отметить следующее:

1. Экологичность. Так как в чистом аммиаке нет углерода, углекислый газ во время его горения не выделяется.
2. Экономичность. Для эффективной работы двигателя внутреннего сгорания аммиака потребуется намного меньше, чем дизеля или бензина.
3. Удобство хранения и перевозки. Аммиак хранится при температуре -33 градуса в сжиженном виде. Для других видов топлива оптимальный температурный диапазон хранения значительно ниже.
4. Минимальная воспламеняемость, а значит, низкий уровень пожарной опасности.
5. Более стабильная цена. Стоимость аммиака на современном рынке практически не меняется, колебания возникают редко, и они незначительны, чего нельзя сказать о котировках углеводородов.

Как получают аммиак

Существует несколько способов получения аммиака. В лабораторных условиях газ образуется в результате реакции солей аммония и щелочей. Учитывая его хорошую растворяемость в воде, чтобы получить аммиак в чистом виде, используют твердые вещества, к примеру, сочетание хлорида аммония и гидроксида кальция.

Их нагревают до определенной температуры, в результате взаимодействия указанных компонентов образуется аммиак, соль и вода. Признаком выделения аммиака является характерный запах, а также изменение цвета влажной лакмусовой бумажки (она становится синей).Второй способ получения данной субстанции – гидролиз нитридов, например, нитрида кальция. 

Если говорить о получении аммиака в промышленных масштабах, то для этого используют прямой синтез из азота и водорода с применением катализатора (т.н. процесс Габера). Для запуска реакции компоненты нагревают до температуры 500-550 градусов и помещают под давление от 15 до 30 Мпа. Функцию катализатора выполняет губчатое железо с примесью калия, кальция, кремния и оксида алюминия. Чтобы использовать весь потенциал компонентов, реагенты, которые не вступили в реакцию, возвращают обратно в реактор.

Когда об этом веществе говорят как о «зеленом» автомобильном топливе, подразумевают тот факт, что углеродно-нейтральный аммиак бывает двух типов – «голубым» и «зеленым». Первый, то есть голубой, получают из классических ископаемых, из которых удаляют углерод. Чтобы получить «зеленый» аммиак, используют возобновляемые источники – воду, ветер и солнце.

Так, для запуска электролиза, в результате которого молекула воды разделится на водород и кислород, необходима электроэнергия, полученная от солнечной или ветровой электростанции. 
Образовавшийся, таким образом, водород с помощью метода Хабера-Боша соединяют с азотом, получая аммиак, который свободен от углерода.

Однако необходимо отметить, что по состоянию на момент написания этого материала по описанным выше технологиям («зеленой» и «голубой») аммиак практически не производят, его и дальше получают по старинке – промышленными методами. Описывать влияние таких предприятий на окружающую среду не будем – там и так все понятно.

Поэтому о массовом использовании аммиака в качестве автомобильного топлива пока еще рано говорить, хотя определенные шаги в этом направлении уже предпринимаются. В некоторых государствах даже запустили специальные программы, направленные на достижение конкретных результатов к 2030 году.

Параметры аммиачного топлива

Как альтернативное горючее для двигателей внутреннего сгорания аммиак обладает такими показателями:

• Высокая детонационная устойчивость.
• Октановое число – 111 и 130 (в соответствии с моторным и исследовательским методом соответственно).
• Минимальный стехиометрический коэффициент.
• Температура возгорания ТВС – 650 градусов.
• Медленное горение смеси.
• Температура пламени – 1682 градуса (у бензина она составляет 2063 градуса). 
• Объем аммиака – 90 дм кубических.

Требования к двигателю

Чтобы вещество, ставшее темой нашего сегодняшнего материала, можно было использовать в качестве топлива, в моторах с зажиганием от искры требуется увеличенная энергия зажигания. Для ее получения используют высокотемпературные свечи с увеличенным искровым промежутком, а также мощные катушки зажигания.

Так как эта субстанция агрессивна, чтобы заправлять ею автомобили и другую технику, необходимо удалить из силовой установки медные, никелевые комплектующие и резиновые уплотнители, ведь при взаимодействии с аммиаком они быстро выйдут из строя. Еще одна проблема кроется в токсичности вещества, а потому в выхлопную систему транспортного средства необходимо внедрить технологию, очищающую выхлоп от вредных частиц, которые не успели сгореть. 

На пути от бака до мотора аммиак должен нагреваться в специальном теплообменнике и подвергаться давлению до 85 Бар. Все элементы, с которыми контактирует вещество, следует выпускать из нержавеющих материалов. 

Система подачи топлива в аммиачных моторах включает форсунки видоизмененной формы и клапанный блок, отвечающий за подачу газа и систематическую продувку системы. Она же обеспечивает отток аммиака из топливной системы, которая обязательно должна быть герметичной.

Работа топливной системы

Чтобы топливная система автомобиля с аммиачным мотором функционировала надлежащим образом, конструкторам необходимо учесть несколько важных нюансов. В частности, топливные емкости должны быть вдвое вместительнее, ведь теплотворная способность этого вещества намного ниже.

Оптимальное давление в газовых трубопроводах – 70 Бар, уровень давления впрыска – от 600 до 700 Бар. В процессе горения аммиака образуется азот и вода, а для снижения содержания в отработанных газах NOx применяются специальные катализаторы и инновационная система рециркуляции. 

Недостатки и меры безопасности при работе с аммиаком

Если рассматривать это вещество как потенциальное топливо для автомобильной и прочей техники, нельзя обойти стороной его недостатки:

• Токсичность, высокая коррозионная активность, из-за которых крайне важно соблюдать условия хранения аммиака.
• Необходимость в совершенствовании существующей инфраструктуры, что влечет за собой серьезные расходы и потребность в привлечении инвесторов.
• Недостаточный уровень развития технических возможностей производства аммиака как экологически чистого топлива.
• Агрессивность. Это едкая субстанция, которая должна перевозиться в специальных герметичных аммиачных цистернах или в танк-контейнерах, полностью соответствующих правилам техники безопасности. Храниться же вещество может либо в сжиженном виде (под большим давлением), либо в виде водного раствора.

При работе с аммиаком необходимо использовать средства индивидуальной защиты глаз и органов дыхания, а также резиновые перчатки и одежду из химически устойчивой ткани. Важно, чтобы зоны работы хорошо проветривались и обозначались соответствующей маркировкой. 

Хранится субстанция в герметичных резервуарах, изготовленных из коррозийно-устойчивых материалов, а перевозится в соответствии с требованиями техники безопасности. В случае утечки персонал обязан немедленно покинуть опасную зону. Пострадавшим оказывается первая медицинская помощь согласно утвержденному протоколу.

Итог

Аммиак считается перспективным автомобильным топливом, но до его массового использования в этих целях еще слишком далеко. Определенные наработки в указанном направлении уже существуют, в частности, они имеются у китайской компании GAC.

Однако технология еще «сырая» и требует доработки, над чем, собственно, сейчас и трудятся изобретатели из различных уголков земного шара.