ДИМЕТИЛОВЫЙ ЭФИР КАК ПЕРСПЕКТИВНОЕ ЭКОЛОГИЧНОЕ МОТОРНОЕ ТОПЛИВО: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА, ПРЕИМУЩЕСТВА И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ БАРЬЕРЫ ВНЕДРЕНИЯ

АННОТАЦИЯ

В работе представлен комплексный аналитико-обзорный анализ диметилового эфира как перспективного экологически ориентированного моторного топлива для транспортной энергетики. Рассмотрены предпосылки поиска альтернатив традиционным углеводородным топливам в условиях ужесточения экологических требований и роста антропогенной нагрузки на атмосферу. На основе систематизации современных научных публикаций обобщены данные о физико-химических свойствах диметилового эфира, особенностях его сгорания и эксплуатационных характеристиках по сравнению с дизельным топливом и сжиженным углеводородным газом. Показано, что наличие кислорода в молекуле и отсутствие углерод-углеродных связей обеспечивают высокую полноту сгорания, снижение выбросов твердых частиц, оксидов серы и токсичных углеводородов. Проанализированы основные направления применения диметилового эфира как самостоятельного топлива и компонента топливных смесей, а также современные технологии его получения из синтез-газа. Особое внимание уделено технологическим и инфраструктурным барьерам внедрения, связанным с физическими свойствами топлива, износом топливной аппаратуры и недостаточным развитием заправочной инфраструктуры. Сделан вывод о целесообразности поэтапного внедрения диметилового эфира в транспортной отрасли и его значительном потенциале в рамках концепции устойчивого и низкоуглеродного развития.

ABSTRACT

The paper presents a comprehensive analytical and overview analysis of dimethyl ether as a promising environmentally oriented motor fuel for transport energy. The prerequisites for the search for alternatives to traditional hydrocarbon fuels in the context of stricter environmental requirements and an increase in anthropogenic pressure on the atmosphere are considered. Based on the systematization of modern scientific publications, data on the physico-chemical properties of dimethyl ether, the features of its combustion and operational characteristics in comparison with diesel fuel and liquefied petroleum gas are summarized. It is shown that the presence of oxygen in the molecule and the absence of carbon-carbon bonds ensure high completeness of combustion, reducing emissions of solid particles, sulfur oxides and toxic hydrocarbons. The main directions of application of dimethyl ether as an independent fuel and a component of fuel mixtures, as well as modern technologies for its production from synthesis gas, are analyzed. Special attention is paid to technological and infrastructural barriers to implementation related to the physical properties of fuel, wear of fuel equipment and insufficient development of refueling infrastructure. The conclusion is made about the expediency of the phased introduction of dimethyl ether in the transport industry and its significant potential within the framework of the concept of sustainable and low-carbon development.

Ключевые слова: диметиловый эфир, альтернативные моторные топлива, экологическая безопасность, транспортная энергетика, физико-химические свойства.

Keywords: dimethyl ether, alternative motor fuels, environmental safety, transport energy, physico-chemical properties.

ВВЕДЕНИЕ

Современная эволюция транспортной сферы протекает в условиях усиливающегося экологического давления, обусловленного нарастанием выбросов парниковых газов, загрязняющих компонентов и твёрдых частиц, при этом автотранспорт занимает доминирующую позицию среди источников антропогенного воздействия на атмосферу, что из данных соображений формирует необходимость выработки альтернативных моторных топлив, ориентированных на сокращение отрицательного влияния на окружающую среду без обязательства радикальной трансформации действующей энергетической инфраструктуры [6].

Традиционные углеводородные энергоносители, включая бензин и дизельное топливо, характеризуются весомыми объёмами эмиссии CO₂, NOₓ, SOₓ и сажевых частиц, что особенно проявляется в условиях интенсивной эксплуатации транспортных средств в границах городских агломераций, и вместе с тем дальнейшее сокращение выбросов при их использовании сталкивается с фундаментальными термодинамическими и химическими барьерами, несмотря на поступательное ужесточение экологических нормативов [7]. В контексте данного исследования особого внимания требует диметиловый эфир (ДМЭ, CH₃OCH₃), относящийся к классу кислородсодержащих органических соединений, поскольку наличие атома кислорода в молекулярной структуре, отсутствие углерод-углеродных связей и однородность строения предопределяют принципиально отличительные характеристики процесса сгорания по сравнению с углеводородными топливами, что выражается в возможности рассматривать ДМЭ не только как химическое сырьё или пропеллент, но и как полноценное моторное топливо [1]. На протяжении двух последних десятилетий диметиловый эфир интенсивно изучается как альтернатива дизельному топливу и как компонент, интегрируемый в состав сжиженного нефтяного газа и топливных композиций, при этом обобщение обширного массива экспериментальных и теоретических работ свидетельствует о его высокой экологической ценности, выражающейся в ощутимом снижении выбросов твёрдых частиц, сернистых соединений и полициклических ароматических углеводородов [1;6;7]. Одновременно с этим промышленное освоение и инфраструктурная интеграция диметилового эфира ограничиваются совокупностью технологических и экономических препятствий, среди которых центральное звено занимают особенности агрегатного состояния вещества, недостаточная смазывающая способность, повышенная летучесть и потребность в корректировке действующих топливных систем, и нормативно-технического регулирования [5;9].

Цель настоящего исследования состоит в выполнении комплексного анализа диметилового эфира как перспективного экологически ориентированного моторного топлива на основании систематизации современных научных представлений о его физико-химических характеристиках, преимуществах практического применения и ключевых технологических барьерах внедрения.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Настоящее исследование реализовано в формате аналитико-обзорной работы с включением элементов сравнительного анализа, при этом методологической базой выступил систематический разбор научных публикаций, ориентированных на изучение процессов получения, характеристик и направлений применения диметилового эфира в энергетической и транспортной сферах [3;5;9].

В ходе выполнения работы рассмотрены статьи, обзорные материалы и монографические источники, опубликованные в интервале 2021–2023 гг. и индексируемые в профильных научных базах данных, что обеспечило репрезентативность используемого массива литературы [1–9]. Проведённый анализ охватывал систематизацию сведений о физико-химических характеристиках диметилового эфира, сопоставление параметров ДМЭ и традиционных моторных топлив; обобщение научных результатов, посвящённых особенностям сгорания ДМЭ в двигателях внутреннего сгорания; рассмотрение технологических схем его получения, выделения и очистки, и выявление с последующей классификацией основных барьеров внедрения ДМЭ в транспортной энергетике. Для сопоставления эксплуатационных параметров составлена сравнительная таблица ключевых характеристик диметилового эфира, дизельного топлива и сжиженного нефтяного газа, что дало возможность оценить потенциал замещения и варианты совместного применения указанных топлив.

АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ

Литературный разбор по тематике диметилового эфира как перспективного экологически ориентированного моторного топлива выполнен посредством систематизации и сопоставления научных публикаций и представлен статьями в рецензируемых научных изданиях, обзорными исследованиями и монографическими трудами, затрагивающими физико-химические характеристики диметилового эфира, технологические подходы к его получению и своеобразные черты использования в транспортной и энергетической сферах.

Ранние исследования, выполненные преимущественно в 2000-е годы, обеспечили основополагающее значение для рассмотрения диметилового эфира в качестве замены традиционных нефтяных топлив, поскольку в трудах Г. А. Джихинто и С. С. Дмитриева [10], и Н. А. Лапушкина с соавторами [11] продемонстрировано, что данный продукт характеризуется высоким цетановым числом, отсутствием серы и ароматических углеводородов, и способностью обеспечивать практически безсажевое сгорание, а сами исследования были ориентированы на прикладную оценку эксплуатации ДМЭ в существующих дизельных двигателях при минимальной корректировке топливной аппаратуры.

В публикациях 2010-х годов исследовательский фокус сместился в сторону технологических принципов производства и интеграции диметилового эфира в энергетические системы, при этом в работах А. Р. Гимаевой и соавторов [12] систематизированы базовые схемы его получения и показано, что промышленное производство ДМЭ способно быть встроено в существующую нефтехимическую инфраструктуру, тогда как в зарубежных исследованиях, включая труд K. Takeishi [14], данный продукт анализируется в научном русле низкоуглеродного развития как переходное топливо на пути к водородной энергетике и углеродно-нейтральной экономике.

Современный этап исследований после 2020 г. отличается выраженным углублением аналитических подходов и расширением тематического поля, что отражено в обзорных публикациях зарубежных авторов, где диметиловый эфир представлен не только как моторное топливо, но и как элемент сложносоставных энергетических и технологических цепочек, а в обзоре Peinado et al. [18] подробно рассмотрены перспективные методы синтеза, включая прямой одностадийный процесс из синтез-газа и CO₂-обогащённых потоков, и обозначены проблемы, связанные с дезактивацией катализаторов и энергетической результативностью.

Заметный массив зарубежных работ посвящён анализу эксплуатационных и экологических характеристик диметилового эфира в двигателях внутреннего сгорания, поскольку в исследованиях Sahu и Mehra [15] установлено радикальное снижение выбросов твёрдых частиц и оксидов серы при его использовании, но одновременно с этим выявлены ограничения, обусловленные низкой смазывающей способностью и необходимостью применения специальных материалов в топливных системах, что находит подтверждение в работе Malik et al. [13], где ДМЭ рассматривается среди кислородсодержащих добавок, содействующих повышению полноты сгорания и улучшению экологических показателей.

Самостоятельное направление исследований связано с развитием технологий получения диметилового эфира и оптимизацией каталитических процессов, так как работы Al-Rabiah et al. [19] и Wild et al. [20] демонстрируют возможности весомого повышения селективности и устойчивости каталитических систем при дегидратации метанола и прямом синтезе, включая использование сырья переменного состава, а сопоставление с отечественными исследованиями по выделению и очистке ДМЭ [5; 8] подтверждает, что технологическая сложность стадий разделения остаётся одним из центральных звеньев, сдерживающих его масштабное внедрение. В последние годы прослеживается расширение сфер применения диметилового эфира за пределы транспортной энергетики, поскольку в исследовании Chai et al. [16] он представлен как перспективный агент для увеличения нефтеотдачи пластов, что подчёркивает его универсальность как химического и энергетического продукта, несмотря на отсутствие прямой связи с моторными топливами.

Анализ источников показывает, что отечественные публикации преимущественно сосредоточены на прикладных принципах использования диметилового эфира в двигателях и технологических схемах его получения, тогда как зарубежные исследования отличаются более системным подходом, охватывающим жизненный цикл, энергетический переход, углеродный след и интеграцию ДМЭ в глобальные низкоуглеродные стратегии, при том что в научном сообществе сохраняется согласие относительно того, что дальнейшее развитие данного топлива напрямую связано с решением задач каталитической устойчивости, совершенствованием топливной аппаратуры и выстраиванием соответствующей инфраструктуры.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Диметиловый эфир представляет собой простейший симметричный эфир, характеризующийся высокой степенью химической чистоты и устойчивостью свойств, при этом в нормальных условиях он пребывает в газовой фазе, но при давлении порядка 0,5–0,6 МПа легко переходит в жидкое состояние, что из данных соображений упрощает его хранение и транспортирование по аналогии со сжиженным нефтяным газом [3;9]. Одной из определяющих характеристик ДМЭ выступает повышенная летучесть, обусловленная низкой температурой кипения на уровне около –25 °C, и данное свойство весомо отражается на процессах впрыска и смесеобразования в двигателях внутреннего сгорания, поскольку высокая испаряемость приводит к быстрому и равномерному формированию топливно-воздушной смеси [2].

Цетановое число диметилового эфира превышает значение 55, что существенно превосходит минимально допустимые требования для дизельных топлив и обеспечивает короткую задержку воспламенения и устойчивое протекание процесса сгорания даже при пониженных температурах, тогда как отсутствие серы и ароматических соединений практически исключает образование сажи [6].

Таблица 1.

Основные физико-химические свойства диметилового эфира и традиционных моторных топлив [1;6]

Несмотря на пониженную массовую теплоту сгорания, диметиловый эфир характеризуется результативным протеканием процесса окисления, что в практическом применении весомо сглаживает энергетический недостаток по сравнению с традиционными моторными топливами. Экологическая результативность диметилового эфира определяется его молекулярным строением и спецификой механизма окисления, поскольку в ходе сгорания практически не формируются твёрдые частицы вследствие отсутствия углерод-углеродных связей, лежащих в основе образования сажевых агломератов [7]. Экспериментальные данные свидетельствуют, что при эксплуатации дизельных двигателей на диметиловом эфире концентрация твёрдых частиц в отработавших газах снижается на десятки процентов по отношению к дизельному топливу, одновременно с этим фиксируется обнуление выбросов оксидов серы и заметное сокращение содержания углеводородов и CO [6].

Дополнительная экологическая ценность диметилового эфира выражается в его интеграции в концепции низкоуглеродной и водородной энергетики, поскольку получение ДМЭ из возобновляемого синтез-газа или биометанола приводит к существенному снижению совокупного углеродного следа транспортного сектора [7].

Особого внимания заслуживает использование диметилового эфира в судовых дизельных двигателях, для которых экологическое регулирование в условиях международных требований последовательно ужесточается, при этом применение ДМЭ в системах внешнего смесеобразования содействует улучшению экологических показателей без обязательства полной замены энергетической установки. Практическое освоение диметилового эфира представлено не только его использованием как самостоятельного моторного топлива, но и включением в состав топливных смесей, поскольку добавление ДМЭ к сжиженному нефтяному газу приводит к увеличению скорости воспламенения и повышению полноты сгорания в двигателях с искровым зажиганием, а экспериментальные результаты подтверждают, что введение ограниченных концентраций диметилового эфира в состав СУГ не требует радикальной модернизации двигателя и отражается на улучшении экологических характеристик без ощутимого снижения мощности [1].

Современные способы получения диметилового эфира представлены двухстадийными и одностадийными технологическими схемами, где в двухстадийном варианте первоначально осуществляется синтез метанола из синтез-газа с последующей дегидратацией метанола и образованием ДМЭ, что на сегодняшний день остается наиболее промышленно освоенным подходом [3;9]. Одностадийный синтез ориентирован на прямое превращение синтез-газа в диметиловый эфир с использованием бифункциональных катализаторов, и данный технологический принцип позволяет весомо сократить капитальные и эксплуатационные издержки, но одновременно с этим предъявляет повышенные требования к устойчивости и долговечности каталитических систем [4;5].

Серьёзным технологическим препятствием выступает дезактивация катализаторов, обусловленная коксообразованием и воздействием примесных компонентов, вдобавок процессы выделения и очистки диметилового эфира характеризуются значительными энергетическими затратами, особенно в условиях получения продукта высокой степени чистоты [8].

Несмотря на очевидную экологическую ценность, внедрение диметилового эфира в качестве моторного топлива сопряжено с перечнем ограничений, среди которых центральное звено занимает низкая вязкость и недостаточная смазывающая способность вещества, приводящие к ускоренному износу элементов топливной аппаратуры [5]. Дополнительные трудности формируются вследствие высокой летучести и выраженной растворяющей способности диметилового эфира, что обуславливает необходимость применения специальных уплотнительных материалов и модификации систем хранения, тогда как отсутствие развернутой сети заправочной инфраструктуры весомо сдерживает его коммерческое использование.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. По результатам проведённого исследования установлено, что диметиловый эфир характеризуется высоким потенциалом применения в качестве экологически ориентированного моторного топлива, поскольку совокупность его физико-химических характеристик обеспечивает продуктивное и чистое сгорание, а экологические преимущества выражаются в высокой ценности данного соединения для развития устойчивой транспортной энергетики. Перечень препятствий, сдерживающих масштабное внедрение ДМЭ, преимущественно связан с технологическими и инфраструктурными трудностями, которые подлежат преодолению при целенаправленном выстраивании производственных процессов, совершенствовании нормативной базы и развитии топливной инфраструктуры, вследствие чего в долгосрочном временном горизонте диметиловый эфир способен занять весомые позиции в структуре альтернативных моторных топлив, особенно при интеграции с возобновляемыми источниками сырья.

Список литературы:

1. Абдурахмонов А. Г., Одилов О. З., Сотволдиев У. У. Альтернативные пути использования сжиженного нефтяного газа с добавкой диметилового эфира в качестве топлива легкового автомобиля с двигателем искрового зажигания // Academic research in educational sciences. 2021. № 12. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/alternativnye-puti-ispolzovaniya-szhizhennogo-neftyanogo-gaza-s-dobavkoy-demetilovogo-efira-v-kachestve-topliva-legkovogo (дата обращения: 01.12.2025).
2. Сязин И. Е., Касьянов Г. И., Гукасян А. В., Каминир О. Н. Прогнозирование свойств бинарной смеси ДМЭ/CO₂ для использования в холодильных машинах // Вестник МАХ. 2023. № 3. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/prognozirovanie-svoystv-binarnoy-smesi-dme-so2-dlya-ispolzovaniya-v-holodilnyh-mashinah (дата обращения: 05.12.2025).
3. Лин Г. И., Кипнис М. А. Производство диметилового эфира из азотсодержащего синтез-газа // Нефтехимия. 2021. Т. 61, № 1. С. 113–118. DOI: 10.31857/S0028242121010123. EDN: NZKYFS.
4. Sidorov A., Kosivtsov Yu., Brovko R., Doluda V. In situ H-ZSM-5 Zeolite Deactivation Study in Dimethyl Ether to Hydrocarbons Transformation Reaction // Bulletin of Science and Practice. 2021. Vol. 7, No. 10. P. 10–16. DOI: 10.33619/2414-2948/71/01. EDN: LLKXZE.
5. Афокин М. И., Магомедова М. В. Схемные решения для выделения диметилового эфира одностадийного синтеза и их анализ (обзор) // Нефтехимия. 2021. Т. 61, № 2. С. 129–137. DOI: 10.31857/S0028242121020015. EDN: BTRZYA.
6. Лешаков И. А., Ерофеев М. Н., Попович В. А., Амелин С. С. Снижение углеродного следа автотранспорта на основе глобального применения диметилового эфира и метанола в структуре перспективной водородной энергетики // Вести газовой науки. 2022. № 2 (51). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/snizhenie-uglerodnogo-sleda-avtotransporta-na-osnove-globalnogo-primeneniya-dimetilovogo-efira-i-metanola-v-strukture-perspektivnoy (дата обращения: 03.12.2025).
7. Грабарчук А. Ю., Робиуззаман Ш. М. Улучшение экологических характеристик судового дизельного двигателя путем дополнительного внешнего смесеобразования с применением диметилового эфира // Нефтегазовые технологии и экологическая безопасность. 2021. № 1 (71). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/uluchshenie-ekologicheskih-harakteristik-sudovogo-dizelnogo-dvigatelya-putem-dopolnitelnogo-vneshnego-smeseobrazovaniya-s (дата обращения: 07.12.2025).
8. Shukurov J., Fayzullaev N., Turayev B., Kungratov K. Technology of extraction of dimethyl ether from methanol // Universum: технические науки. 2023. № 6-5 (111). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/technology-of-extraction-of-dimethyl-ether-from-methanol (дата обращения: 06.12.2025).
9. Mamatqulov M., Xasilov I. Технология получения диметиловым эфиром. 2022. 125 с. DOI: 10.5281/zenodo.7179666.
10.  Джихинто Г. А., Дмитриев С. С. Диметиловый эфир — экологически чистое топливо будущего // Нефтегазовые технологии и экологическая безопасность. 2007. № 3. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/dimetilovyy-efir-ekologicheski-chistoe-toplivo-buduschego (дата обращения: 25.12.2025).
11. Лапушкин Н. А., Савенков А. М., Федотов И. В. Использование диметилового эфира в дизельных двигателях // Транспорт на альтернативном топливе. 2008. № 3 (3). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/ispolzovanie-dimetilovogo-efira-v-dizelnyh-dvigatelyah (дата обращения: 25.12.2025).
12. Гимаева А. Р., Фаттахов М. М., Мастобаев Б. Н. Особенности производства диметилового эфира и его использование в качестве перспективного моторного топлива // Нефтегазовое дело. 2015. Т. 13, № 3. С. 55–58. EDN VEDART.
13. Malik M. A. I., et al. Recent advancements, applications, and technical challenges in fuel additives-assisted engine operations // Energy Conversion and Management. 2024.
14. Takeishi K. Dimethyl ether (DME): a clean fuel/energy for the 21st century and the low carbon society // International Journal of Energy and Environment. 2016. Т. 10. С. 238–242.
15. Sahu S., Mehra S. Prospects and challenges of dimethyl ether as a low carbon alternative fuel in internal combustion engines // Journal of Energy and Environmental Sustainability. 2023. С. 1–13.
16. Chai M., Chen Z., Nourozieh H., Yang M., Xu J., Sun Z., Li Z. Perspectives of dimethyl ether (DME) as a transitional solvent for enhanced oil recovery (EOR) // Energy. 2024. Т. 310. Art. 133191. DOI: 10.1016/j.energy.2024.133191.
17. Yamini K., Kishore P. S., Dhana Raju V. Effect of diethyl ether and isobutanol as fuel additives on the diesel engine attributes fueled with subabul seed biodiesel // Journal of Thermal Engineering. 2025. Т. 11, № 1. С. 215–225. DOI: 10.14744/thermal.0000914.
18. Peinado C., Liuzzi D., Sluijter S. N., Skorikova G., Boon J., Guffanti S., et al. Review and perspective: next generation DME synthesis technologies for the energy transition // Chemical Engineering Journal. 2024. Т. 479. DOI: 10.1016/j.cej.2023.147494.
19. Al-Rabiah A. A., Alshehri A. S., Ibn Idriss A., Abdelaziz O. Y. Comparative kinetic analysis and process optimization for the production of dimethyl ether via methanol dehydration over a γ-alumina catalyst // Chemical Engineering & Technology. 2022. Т. 45. С. 319–328. DOI: 10.1002/ceat.202100441.
20. Wild S., Polierer S., Zevaco T. A., Guse D., Kind M., Pitter S., et al. Direct DME synthesis on CZZ/H-FER from variable CO₂/CO syngas feeds // RSC Advances. 2021. Т. 11. С. 2556–2564. DOI: 10.1039/d0ra09754c.
21. Meng Y., Li H., Dai C., Chen B., Lei Z., Li X., Gao X. Innovative reactive distillation process for the eco-friendly poly(oxymethylene) dimethyl ethers synthesis from methylal and trioxane // Separation and Purification Technology. 2021. Т. 278. Art. 119538. DOI: 10.1016/j.seppur.2021.119538.