Метанол, метанольчик, метанолушка...
После некоторых моих статей (Перспективные виды топлива, Метаноловый МАН) вопросов стало больше. Комментарии я читаю, поэтому поискал ответы на сайте Win GD и собрал их в одну статью. Материал в стиле "вопрос-ответ".
🧩ПОЧЕМУ МЕТАНОЛ ИНТЕРЕСЕН КАК ТОПЛИВО?
Основная причина - зеленый переход, снижение выбросов, характерных классическим видам топлива. При сжигании метанола в цилиндре ДВС образуется в разы меньше соединений SOx, NOx и твердых частиц. По сравнению со сжиженным природным газом или аммиаком, его легче хранить, защитные барьеры проще и дешевле. Специфика работы на метаноле такова, что двигатель, работающий на нем, проходит по всем требованиям по выбросам (как существующим, так и перспективным).
🧩КАКИЕ ТРУДНОСТИ ПОЯВЛЯЮТСЯ ПРИ РАБОТЕ С МЕТАНОЛОМ?
🔵Инфраструктура. Метанол нельзя залить в имеющиеся емкости, предназначенные для традиционного топлива, инфраструктуру придется возводить с нуля.
🔵Доступность. Потребуются долгие годы и крупные инвестиции в развитие инфраструктуры одновременно в нескольких грузовых терминалах планеты. Ресурсы в развитие подобного оборудования вкладываются только при наложении ограничений на выбросы, так как это дорого и горизонт планирования и "выхода в плюс" - десятилетия.
🔵Энергетическая плотность. По этому показателю метанол сильно уступает традиционным видам топлива. Этот факт серьезно осложняет развитие технологии даже на этапе проектирования. При сохранении уровня автономности судна потребуется больший объем хранения.
🔵Конкурентоспособность цены. Дорого. И сегодня дорого и завтра тоже будет дорого. Ценообразование сложнее, чем с традиционными видами топлива, так как влияет на него значительно больше факторов (от технологии производства и сырья до региона происхождения). По мере развития инфраструктуры цена будет падать, а по мере "зажимания гаек" в "зеленом направлении" на фоне дистиллятных сортов топлива метанол будет выглядеть не так уж и дорого.
🔵Углеродный след. Этот показатель включает не только выбросы соединений углерода непосредственно с борта судна, но и весь цикл "жизни" топлива. Если получать метанол из нефти, то его углеродный след будет даже выше, чем у дистиллятного топлива. Но тут изначально упор идет на альтернативные источники: различные БИО и СИНТЕЗ ресурсы. Естественная проблема - непромышленный масштаб.
🧩КАК ПРОИЗВОДИТСЯ МЕТАНОЛ?
Способов получения много, но в промышленных масштабах можно использовать следующие технологии...
Паровой риформинг, конверсия метана. Все вроде как просто: нагрев метана паром при непосредственном контакте и контролируемый процесс производства смеси водорода и монооксида углерода (синтез-газа), из которой потом и производится метанол.
Получение из угля. Да, можно из угля, технологический процесс схож, но способ менее популярен, уголь-же, не очень экологично...
Биомасса. Вот на этот источник делается большая ставка. Поголовье фермерской живности неуклонно растет вместе с популяцией двуногих на планете. Логично - нам нужна еда. Биологических отходов производства становится больше, сырье есть. Но биомасса - это еще и отходы деревообрабатывающей промышленности, например. Сырья много на самом деле. Процесс нагрева и испарения схож с первым способом.
Улавливание углерода. Технологии существуют и отрабатываются. Кстати, уловители атмосферного углерода могут быть запитаны от этих самых ветряков и гелео электростанций. Останется только получить таким-же чистым способом водород и готово.
🧩ЕСТЬ ЛИ РЕГЛАМЕНТ ПО МЕТАНОЛУ?
Да, конечно, правила использования и требования к процессам и оборудованию описаны Международной Морской Организацией. Конвенция СОЛАС тоже имеет "пунктик" на работу на метане. На базе общих требований конвенций составляются требования классификационных обществ, а на базе имеющихся требований производится оборудование и выпускается регламент обращения с топливом.
🧩СУЩЕСТВУЮТ ЛИ НА СЕГОДНЯШНИЙ ДЕНЬ СУДОВЫЕ ДВС, РАБОТАЮЩИЕ НА МЕТАНОЛЕ?
Да. Например, компания WinGD предлагает целую серию двутовливных ДВС, покрывающую, пожалуй, весь существующий и перспективный торговый флот.
Уже сегодня судовладельцы могут заказать двигатель мощностью от 5 до 80 МегаВатт с диапазоном частоты вращения вала от 58 до 120 оборотов в минуту.
Первая установка на судно ожидается в 2025-м году, а существующие контракты на постройку двигателей загрузили заводы до 2026-го года.
🧩КАК РАБОТАЕТ ДВИГАТЕЛЬ НА МЕТАНОЛЕ?
🔵Сжатие. Также как и в классическом ДВС. Поршень сжимает свежий заряд водзужа, степень сжатия идентична классичесому крейцкопфному ДВС.
🔵Впрыск топлива. Два комплекта форсунок: один для впрыска метанола, второй для впрыска запальной порции топлива (дистилятное топливо). Метанол впрыскивается в цилиндр раньше, во время такта "сжатие". Метанол при этом не самовоспламеняется.
🔵Воспламенение и горение. Смесь метанола и воздуха зажигается впрыском запального топлива специальной форсункой с учетом угла опережения. Дистиллятное топливо впрыскивается в цилиндр и самовоспламеняется (температура позволяет), инициируя горения метанола.
🔵Горение метанола. Горение и расширение на нисходящем ходе поршня. Классика.
🔵Продувка. Схема продувки - прямоточно-клапанная, хорошо зарекомендовавшая себя в классических компоновках дизелей.
🧩КАК ХРАНИТСЯ МЕТАНОЛ И КАК ДОСТАВЛЯЕТСЯ К ДВИГАТЕЛЮ?
🔵Хранение. Основной запас метанола может храниться как в отдельных емкостях на открытой палубе, так и в танках (емкости, являющиеся частью конструкции судна). Емкости должны быть герметичными, оснащены предохранительными клапанами, системами контроля температуры и системой инертных газов.
🔵Система трубопроводов. Трубопроводы строятся с учетом коррозионных свойств метанола и его пагубного воздействия на организм человека. В качестве материала используется нержавеющая сталь. Из танков хранения метанол доставляется под давлением 13 бар, поэтому необходимости в насосах высокого давления нет.
🔵Система подготовки метанола. Метанол должен быть чистым в принципе, ведь такова специфика его производства и перемещения, но потенциальную загрязненность его тоже нужно учесть. Должны быть предусмотрены системы фильтрации и контроля качества.
🧩ТОПЛИВНАЯ АППАРАТУРА. БУДЕТ ЧТО-ТО НОВОЕ?
Да, схема поднятия давления похожа на систему впрыска двигателей МАН серии МЕ.
Блок насосов высокого давления приводится в работу гидравлически. Давление управляющего масла около 300 бар, давление впрыска может достигать и 600, что релизовано разностью площадей (больше со стороны масла и меньше со стороны метанола). Давление циркуляции 13 бар, а сброс давления в систему циркуляции предотвращается автоматическим невозвратным клапаном (как на насосе высокого давления двигателей МАН).
🧩ОТЛИЧАЮТСЯ ЛИ НАСТРОЙКИ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ОТ ТАКОВЫХ ДЛЯ ДИЗЕЛЬНОГО ДВС?
Геометрия камеры сгорания, деталей цилиндро-поршневой группы и кольца остались прежними. Цилиндровая крышка получила дополнительный комплект форсунок и оборудование, обеспечивающее безопастность мореплавания. Рабочий процесс остался практически без изменений: углы прежние, параметны рабочего процесса существенно не изменились.
🧩КАК ОСУЩЕСТВЛЯЕТСЯ КОНТРОЛЬ ЗА УТЕЧКАМИ МЕТАНОЛА?
Абсолютно все трубопроводы выполнены из труб с двойной стенкой. По центральной трубе идет метанол, а полость между центральной и внешней трубами постоянно вентилируется. Протягиваемый между трубами воздух подвергается анализу на концентрацию метанола. В случае утечки полость может быт заполнена азотом.
🧩КАК УПЛОТНЯЕТСЯ ТОПЛИВНАЯ АРМАТУРА?
Маслом. Масло подводится под бОльшим давлением и частично уносится в камеру сгорания, но метанол остается только внутри топливной аппаратуры.
🧩ЗАПАЛЬНОЕ ТОПЛИВО. ЧТО ЭТО И СКОЛЬКО ЕГО НУЖНО?
Запальное топливо используется для инициации горения метанола, соответственно, его много не нужно. Для нормальной работы двигателя на установившемся режиме нужно подводить примерно 5% энергии запальной форсункой, остальное тепловыделение - горение метанола. Сравнение именно по тепловыделению, так как плотности энергии метанола и запального топлива разные. В качестве запального может использоваться как дистиллятное топливо, так и остаточное с содержанием серы до 0,5%.
🧩ДОЛЬШЕ ЛИ ФАЗА ВПРЫСКА МЕТАНОЛА?
Теплотворная способность метанола ниже, чем дистиллятных или остаточных сортов топлива, поэтому его нужно больше для развития равной мощности. Говорит ли это о том, что фаза впрыска займет больше градусов угла поворота коленчатого вала? Нет. Метаноловые форсунки спроектированы с поправкой на меньшее энерговыделение метанола.
🧩ВЫБРОСЫ. МЕТАНОЛ ВООБЩЕ РАБОТАЕТ БЕЗ ВЫБРОСОВ?
Сжигание метанола сопровождается образованием нескольких нежелательных соединений, но количество их значительно меньше, чем при сжигании традиционных видов топлива.
🔵Диоксид углерода. Метанол содержит углерод, так что от выбросов углекислого газа не уйти. Но тут стоит учитывать развитие инфраструктуры и предприятий по улавливанию углерода из атмосферы. Суммарный углеродный след метаноловой технологии существенно ниже такого показателя для традиционных видов топлива.
🔵Оскиды азота. Соединения NOx образуются при реакции азота и кислорода при достаточно высокой температуре. Рабочий цикл метанолового двигателя отличается относительно низкой максимальной температурой сгорания, следовательно, меньшими выбросами соединений NOx.
🔵Оксид углерода. Монооксид углерода - результат неполного сгорания любого ископаемого топлива. Способы снижения СО - оптимизация рабочего цикла.
🔵Твердые частицы. В этом плане метанол даже не хочется сравнивать с традиционными видами топлива. Он не содержит ничего, что может при сгорании давать несгораемые твердые частицы. Единственным источником таковых является запальное топливо.
🔵Формальдегид. Очень неполезная субстанция, что может образовываться при горении метанола. Но тут все хорошо, так как регламента по выбросу формальдегида пока нет, а если нет требований, то нет и выбросов. Пара-пара-пам.
🔵Диоксид серы. Метанол не содержит серы, поэтому образование её оксидов невозможно, но... сера имеется в запальном топливе и масле, что как я уже писал, частично уносится в камеру сгорания.
🧩КАК РАБОТАТЬ С ТОПЛИВНОЙ АППАРАТУРОЙ, ТАМ ЖЕ МЕТАНОЛ?!
Перед работами, связанными со вскрытием топливной аппаратуры, ее промывают водой. Вода хорошо его растворяет и является легкодоступным расходником. Дренируется вода с специальный танк для последующей обработки.
🧩ПОЧЕМУ ИМЕННО ВОДА?
- водой промывать быстрее и эффективнее, чем азотом.
- воды много, она удобна.
- промывать вертикальные трубы намного эффективнее именно жидкостью, а не газом.
- вода растворяет метанол, образование газовых мешков исключено.
- при тестировании системы на плотность проще обнаруживать протечки.
- топливная аппаратура выполнена из нержавеющей стали, что не разрушается пресной водой.
🧩ДВИГАТЕЛЬ ВСЕГДА РАБОТАЕТ НА МЕТАНОЛЕ?
Нет. Запуск производится на запальном топливе. Метанол обеспечивает работу двигателя на нагрузке 10-80%. Переход плавный, бесшовный.