Применение биодизельного топлива и биоэтанола

По решению ЕС, к концу 2005 г. на долю биотоплива должно приходиться не менее 2% всего продаваемого в странах Евросоюза автомобильного бензина. Лоос добивается того, чтобы к 2010 г. эта цифра была увеличена до 6%. Речь идет об автомобильном топливе с добавками растительного происхождения. В солярку добавляют растительное масло (в основном- рапсовое), а в бензин - этанол, производимый из зерна или свеклы. В продаваемых сегодня на европейских автозаправках смесях, обозначаемых как «био», доля спирта или масла составляет примерно 5%. Более половины всего выпускаемого в ЕС биодизельного топлива приходится на долю Германии.

Его производство обходится дороже, чем традиционных видов бензина, однако на заправках оно стоит, наоборот, значительно дешевле - благодаря правительственным субсидиям. Они могут составлять от 29 евроцентов за литр, как в Велико-британии и Испании, до 40 47 центов в Италии и Германии. Интерес к биотопливу вызван не только желанием европейских правительств поддержать местных сельхозпроизводителей (в этом плане инициатива представителя Франции, крупнейшего игрока на этом рынке, объяснима). Как только цены на нефть на мировом рынке достигают $50 за баррель, производство альтернативных видов топлива становится интересным коммерчески, объясняет растущий спрос на биодизель Геннадий Савельев, руководитель лаборатории двигателей и применения альтернативных видов топлива Всероссийского научно-исследовательского института механизации сельского хозяйства.

Для заправки техники можно использовать масло и спирт даже в чистом виде. Рапсовое топливо уже сегодня в России можно получать дешевле традиционной солярки, если наладить его производство в промышленных масштабах, уверяет Савельев. При этом оно экологически безопасно, нетоксично и практически пожаробезопасно. По температуре сгорания обычное дизельное топливо и рапсовое масло почти одинаковы - 34020 кДж/литр и 34040 кДж/литр соответственно, так что при работе двигателя на биодизеле теряется всего 8% мощности.

Биодизель - жидкая (предназначенная для двигателей внутреннего сгорания) разновидность биотоплива, то есть такого топлива, что производится из любого возобновляемого в природе сырья.

Биодизель изготавливается преимущественно на основе растительных масел по следующей технологии: с помощью добавления метанола (реже этанола или изопропилового спирта; на одну тонну масла берётся примерно 100 кг метанола, к ним добавляют также гидроксид калия или натрия) из жиров, содержащихся в масле, выделяются эфиры жирных кислот; получившийся изменённый, насыщенный эфирами продукт переработки растительных жиров затем обычно смешивают с дизельным топливом в разных пропорциях, от чего и зависит качество и свойства топлива.

Смесь дизельного топлива с биологическим обозначается буквой B, причём цифра при букве означает процентное содержание растительного топлива. Так, при В2 мы имее 2% натурального топлива и 98% дизельного топлива. Следовательно, В100 - 100% экологичное топливо.

Важно отметить, что применение смесей не требует внесения каких-либо специальных изменений в двигатель автомобиля.

В качестве природного сырья для изготовления биодизеля в разных странах используются разные растения: в США, например, это, в основном, соя; в Европе же это прежде всего рапс. Другие страны используют местные виды растений: в Канаде это канола, в Индии - ятрофа, в Индонезии - пальмовое и кокосовое масло. Кроме растительного масла для производства биотоплива используют также и рыбий жир, однако по статистике около 80% европейского биодизеля было произведено из растительного (рапсового) масла. Причём примерно одна треть всего урожая рапса в 2004 году пошла именно на производство биотоплива.

В Евросоюзе по производству биодизеля уже не первый год лидирует Германия (в 2005 году она произвела более 1,669 т экологичного топлива), с большим отрывом (почти что в три раза) за ней идут Франция и Италия.

Биодизель является экологичным топливом, потому что при попадании в воду не причиняет вреда растениям и животным, как следует из проведённых опытов.

Он подвергается практически полному биологическому распаду - в воде и в почве микроорганизмы за 28 дней перерабатывают 99% биодизеля, а значит, риск загрязнения рек и озёр минимален.

Более того, при сгорании биодизеля выделяется точно такое же количество углекислого газа, которое потребляло растение, ставшее исходным сырьём для производства масла, за весь период своей жизни. К тому же, биодизель в сравнении с обычным дизельным топливом почти не содержит серы.

У нас в стране пока не существует единой государственной программы по развитию биодизельного топлива. Однако создаются региональные программы, например Алтайская краевая целевая программа «Рапс - биодизель», что уже дарует надежду на лучшее будущее для нашей природы.

 

Биодизель - это метиловый эфир, обладающий свойствами горючего материала и получаемый в результате химической реакции из растительных жиров.

Уже в 70-е годы в Европе исследователи стремились найти в качестве альтернативных источников энергии такие вещества, которые при сгорании выделяли бы в атмосферу меньше углекислого газа и вредных соединений. В результате были определены два пути применения растительных масел для дизельных двигателей. Один из них предполагает получение биодизеля путем этерификации масел до кондиций дизельного топлива, а второй - использование их вместо горючего.

Известно, что молекулы жира состоят из так называемых триглицеридов: соединений трехвалентного спирта глицерина с тремя жирными кислотами. Для получения метилового эфира к девяти массовым единицам растительного масла добавляется одна массовая единица метанола (т.е. соблюдается соотношение 9:1), а также небольшое количество щелочного катализатора. Все это смешивается в специальных колонах при температуре 500-800 ° С и нормальном давлении.

В результате химической реакции образуется, в первую очередь, желаемый метиловый эфир, а также побочный продукт - глицерин, широко используемый в фармацевтической и лакокрасочной промышленностях (рис. 1).

Полученный эфир отличается хорошей воспламеняемостью, обеспечиваемой высоким цетановым числом.

Если для минерального дизтоплива характерен показатель в 50-52%, то метиловый эфир уже изначально содержит 56-58 % цетана. Это позволяет использовать его в дизельных двигателях без прочих стимулирующих воспламенение веществ. Благодаря такому свойству метиловый эфир, получаемый из растительных масел и жиров, и был назван биодизелем.

Биодизельное топливо - это экологически чистый вид топлива, альтернативный по отношению к минеральным видам, получаемый из растительных масел, и используемый для замены (экономии) обычного дизельного топлива. Сырьем для производства биодизеля могут быть различные растительные масла: рапсовое, соевое, арахисовое, пальмовое, отработанные подсолнечное и оливковое масла (использованные, например, при приготовлении пищи), а также животные жиры. С химической точки зрения биодизель представляет собой метиловый эфир. При его производстве, в процессе этерификации, масла и жиры вступают в реакцию с метиловым спиртом и гидроксидом натрия, служащим катализатором, в результате чего образуются жирные кислоты, а также побочные продукты: глицерин и другие.

Биодизель может использоваться в обычных двигателях внутреннего сгорания, как самостоятельно, так и в смеси с обычным дизтопливом, без внесения изменений в конструкцию двигателя. Обладая примерно одинаковым с минеральным дизельным топливом энергетическим потенциалом, биодизель имеет ряд существенных преимуществ:

o   он не токсичен, практически не содержит серы и канцерогенного бензола;

o   разлагается в естественных условиях (примерно так же, как сахар);

o   обеспечивает значительное снижение вредных выбросов в атмосферу при сжигании, как в двигателях внутреннего сгорания, так и в технологических агрегатах;

o   увеличивает цетановое число топлива и его смазывающую способность, что существенно увеличивает ресурс двигателя;

o   имеет высокую температуру воспламенения (более 100 °С), что делает его использование относительно безопасным;

o   его источником являются возобновляемые ресурсы;

o   производство биодизеля легко организовать, в т.ч. в условиях небольшого фермерского хозяйства, при этом используется недорогое оборудование.

Стоимость биодизеля в настоящее время не превышает стоимость "нефтяного" дизельного топлива и имеет тенденцию к снижению, по отношению к последнему.

Биодизель получил широкое распространение во многих странах мира. Среди них, Германия, Австрия, Чехия, Франция, Италия, Швеция, США, а также другие страны. Специалисты по моторной технике считают биодизель лучшим топливом для моторов с самовоспламенением.

Рис. 3. Процесс получения биодизеля и побочного глицерина из рапса (сои)

Помимо относительно высокого цетанового числа биотопливо имеет и ряд других полезных свойств:

        Растительное происхождение. Биодизель не обладает бензоловым запахом и изготавливается из масел, сырьем для которых служат растения, улучшающие структурный и химический состав почв в системах севооборота.

          "Биологическая безвредность". По сравнению с минеральным маслом, 1 литр которого способен загрязнить 1 млн. л питьевой воды и привести к гибели водной флоры и фауны, биодизель, как показывают опыты, при попадании в воду не причиняет вреда ни растениям, ни животным. Кроме того, он подвергается практически полному биологическому распаду: в почве или в воде микроорганизмы за 28 дней перерабатывают 99 % биодизеля, что позволяет говорить о минимизации загрязнения рек и озер при переводе водного транспорта на альтернативное топливо.

        Меньше выбросов СО₂. При сгорании биодизеля выделяется ровно такое же количество углекислого газа, которое было потреблено из атмосферы растением, являющимся исходным сырьем для производства масла, за весь период его жизни. Тем не менее, следует заметить, что назвать биодизель экологически чистым топливом было бы неверно. Он дает меньшее количество выбросов углекислого газа в атмосферу, но на нет их не сводит.

        Относительно "чистое" топливо. В мировой практике лимитируется ряд компонентов выхлопных газов, среди них: монооксид углерода СО, несгоревшие углеводороды СП, окислы азота NOX и сажа. На рис. 2 (стр. 48) представлены результаты сравнений выбросов, производимых дизельными двигателями с нераздельной и раздельной камерами подачи топлива при сгорании в них биодизеля, с выбросами от использования минерального дизтоплива. Очевидны преимущества биодизеля по показателям продуктов сгорания: монооксида углерода, углеводородов, остаточных частиц и сажи.

        Малое содержание серы. Традиционно выбросы вредных веществ минимизируют при помощи катализатора - оксиката, превращающего углеводороды и окись углерода в воду и углекислый газ. Но оксикат чувствителен к присутствию в горючем серы, "отравляющей" катализатор на длительное время и приводящей к увеличению выброса остаточных частиц. Поэтому здесь особенную роль играет тот фактор, что биодизель в сравнении с минеральным аналогом почти не содержит серы (< 0,001 %, минеральный - < 0,2 %).

        Хорошие смазочные характеристики. Известно, что минеральное дизтопливо при устранении из него сернистых соединений теряет свои смазочные способности. Биодизель же, несмотря на "обделенность" серой, характеризуется хорошими смазочными показа телями. Это обуславливается его химическим составом и содержанием в нем кислорода.

        Увеличение срока службы двигателя. При работе двигателя на биодизеле одновременно производится смазка его подвижных частей, в результате которой, как показывают испытания, достигается увеличение срока службы самого двигателя и топливного насоса в среднем на 60%.

        Высокая температура воспламенения. Еще один технический показатель, интересный, скорее всего, для организаций, хранящих и транспортирующих ГСМ: точка воспламенения. Для биодизеля ее значение превышает 100 ° С, что позволяет назвать биогорючее относительно безопасным веществом. Тем не менее, это не означает, что к нему можно относиться с халатностью.

 

Недостатки биодезеля

        по данным зарубежных исследований, расчетный расход биодизельного топлива на 5-7% выше минерального, однако, учитывая реальное качество дизельного топлива в России, эта разница не только отсутствует, но и фактический расход топлива уменьшается

        использование 100% биодизеля в двигателях прошлого поколения может привести к сокращению сроков службы резиновых элементов.

        Кроме того, необходимо учитывать, что растительное топливо загустевает при более высоких температурах, чем солярка. В частности, топливо из рапса - при -10 градусах. Поэтому при низких температурах использовать его можно только в смесях с соляркой.

        Биотопливо - хороший растворитель. Оно очищает стенки топливных баков и трубопроводов от различных наслоений. Поэтому через неделю-полторы после начала работы на биотопливе нужно заменить топливный фильтр. А потом провести еще одну - две внеплановые замены.

Условно процесс производства биодизеля можно разбить на следующие составляющие:

•процесс переэтерификации

•сепарация

•рекуперация алкоголя

•очистка (мойка) готового продукта

Процесс переэтерификации

В основе технологии получения биодизельного топлива лежит реакция этерификации, которая была известна еще в 1900 году.

 

Реакция этерификации обращается к катализировавшей химической реакции растительного масла и алкоголя, чтобы сформировать жирный эстер, известный как биодизель и глицерин. Катализатор может быть или ферментами, кислотами, или основаниями.

Сегодня наиболее распространенным катализатором для реакции этерификации используются в основном основания (щелочь). В качестве такого катализатора использует щелочь, типа NaOH или KOH, чтобы преобразовать исходное сырье в биодизель. По сравнению с ферментом, и по сравнению с катализировавшийся кислотой, высокий выход продукта в относительно короткое время делает данный катализатор основным. В реакции метанол и NaOH предлагаются как реагент и катализатор, соответственно, из-за их относительно низкой цены.

В качестве сырья для производства биодизельного топлива:

- рапсовое масло;

подсолнечное масло;

соевое масло;

пальмовое масло;

масло использованное для жарки;

животные жиры;

- масла и жиры с высокой вязкостью

Сепарация (отделение глицерина от биодизеля)

Процесс разделения биодизельного топлива и глицерина в виду большой разности плотностей зачастую сводится к сепарированию готового продукта. Наилучшие результаты при этом показывает сепарация готового продукта на центробежных сепараторах, или гидроциклонах. Сепарация выполняется по следующему циклу готовый продукт из реактора(накопителя) поступает на сепарацию в сепаратор(гидроциклон). Далее из сепаратора отдельно поступает глицерин и биодизель в емкости для сбора продукта.

При использовании вместо сепаратора гидроциклона ухудшается качество очистки биодизеля, что в свою очередь приводит к увеличению расхода ионно-обменных смол. Для повышения качества сепарации в технологическую схему процесса вводится батарея гидроциклонов. Если посмотреть на качественные показатели, то остаточное содержание глицерина в биодизели не будет превышать 0,1...0,5 % от общего кол-ва глицерина, что на много меньше, чем при разделение готового продукта на батареи гидроциклонов.

Рекуперация алкоголя (метанола)

Согласно требованиям предъявляемым к качеству биодизельного топлива в готовом продукте содержание свободного алкоголя должно составлять 0 %. Но одним из требовании надежного проведения реакции переэтерификации есть необходимость введению в реакцию большого количества алкоголя (метанола), чем его теоретически необходимо.

В связи с этим при производстве биодизеля зачастую применяют технологию возврата алкоголя (метанола). Технологически процесс рекуперации заключается в испарении спирта из биодизеля. Испарение происходит в специальных колонах, в которых вакуумным насосом создается разрежение. Предварительно биодизель подогревается до температуры порядка 60-65 °С в нагревателе. Из испарительной колонны предусмотрен отвод паров алкоголя (метанола) в конденсатор.

В конденсаторе происходит охлаждение паров алкоголя (метанола) и их конденсация. Для сбора алкоголя предусмотрена емкость, из которой он перекачивается в реактор для повторного использования его в реакции.

Очистка (мойка) готового продукта. Катионная ионообменная смола используется для удаления калия или натрия из сырого биодизеля и следов глицерина, воды.

Этанол

Не секрет, что мировой автопром все больше ориентируется на то, чтобы в баки «железных коней» можно было бы заливать не только бензин, но и биоэтанол - жидкое спиртовое топливо, которое вырабатывается из сельскохозяйственных культур с высоким содержанием сахара и крахмала (кукурузы, сахарного тростника и зерновых). «Гнать» такой спирт гораздо проще, чем тот, что пригоден для потребления внутрь человеком.

И, как замечено, сообщает Lenta.ru, потребление спирта автомобилем абсолютно не отражается на его ходовых характеристиках (чем машина, кстати, выгодно отличается от человека). А если в обычный бензин добавить до 10% биоэтанола, то получается топливо с октановым числом 95-98, дающее при сгорании на 30% меньше вредных выбросов. Американские эксперты подсчитали, что если этанол «гнать» из кукурузы, то при его сжигании выделяется на треть больше энергии, чем было затрачено на выращивание, уборку и переработку этой культуры. Бензин же возвращает человечеству лишь 80% энергии, израсходованной на его производство. С дизельными движками еще проще: солярку может заменить… растительное масло (в Европе, к примеру, для этих целей используют рапсовое). В общем, биотопливо - дело со всех сторон выгодное.

Но если по объему потребления спиртного водителями некоторые страны СНГ вполне могут тягаться с мировыми лидерами (о чем свидетельствует статистика ДТП), то по уровню потребления этанола автомобилями они сильно отстают. Точнее, вообще стоят на нулевой отметке, в то время, как биоэтанол уверенно покоряет мир. Лидером по его потреблению сейчас является Бразилия, где добрая половина автомашин использует продукт перегонки сахарного тростника. Низкая себестоимость этого сырья в стране (вдвое меньше, чем в США, и втрое, чем в ЕС) делает биотопливо выгодной альтернативой дорожающему бензину. В прошлом году производство этанола достигло в Бразилии 20 млрд. л, и сегодня он обеспечивает более 20% потребностей страны в топливе. Кроме того, он идет на экспорт. По расчетам экспертов, к 2010 г. объемы экспорта этанола из Бразилии вырастут в два раза - с $600 млн. до $1,3 миллиарда.

США, в свою очередь, живо интересуются биотопливом. У них уже есть 100 заводов по производству этанола, суммарной мощностью около 20 млрд. л в год. Причем для американцев это не только вопрос замещения дорожающего бензина, но и способ поддержки сельского хозяйства. По расчетам министерства сельского хозяйства, в качестве сырья для производства этанола может быть использовано около четверти урожая кукурузы. Производство этанола, как новый рынок для сельскохозяйственной продукции, открывает для фермеров обширные перспективы и сулит общий подъем аграрного сектора. По данным Национальной ассоциации производителей зерновых, в производстве этанола в США заняты более 40 тыс. человек, а их прямой и косвенный вклад в ВВП страны составляет более $6 млрд. в год.

Теперь американцы собираются с помощью генных технологий увеличить в кукурузе содержание крахмала (из которого и получается этанол), благодаря чему удастся увеличить выход продукта. Кроме кукурузы, планируется использовать и другие виды сырья, в частности, ивы, а также отходы сельского и лесного хозяйства для производства т.н. целлюлозного этанола.

Растет спрос на биоэтанол и в ЕС. В прошлом году биотопливо обеспечивало 2% потребностей в жидком топливе. Однако странам предложено активнее использовать биотопливо, в частности, довести его долю к 2010 году до 6%.

Конечно, использование биотоплива нуждается в государственном «промоушне»: без экономического стимулирования никто не откажется от привычного бензина или солярки, ведь технологии производства ноу-хау еще дороги. Поэтому в Голландии, например, биодизельное топливо не облагается налогом, в связи с чем его цена составляет всего 0,7 евро за 1 л (солярка стоит порядка 1,5 евро). Правда, пока это мало помогает: в стране насчитывается лишь более 10 тыс. машин, ездящих на биотопливе (менее 1% автопарка). Но, по всей видимости, это только начало: скоро автомобили всего мира распробуют спирт.

В 2009 г. все дизельные двигатели Renault, предназначенные для реализации в Европе, будут приспособлены для работы на дизельном топливе с добавлением 30% топлива, полученного из растительного сырья. Кроме того, в плане Renault Контракт-2009 записана реализация с 2008 г. одного миллиона автомобилей, в отработавших газах которых будет содержаться менее 140 г/км CO2.

Если подсчитать выбросы углекислого газа на протяжении технологической цепи "от скважины до автомобиля", то окажется, что традиционные виды топлива проигрывают новичку. В зависимости от исходного растительного сырья, в отработавших газах двигателей, работающих на дизтопливе с присадкой 30% биотоплива, содержится на 20% СО₂ меньше, чем в выхлопе обычного дизельного двигателя.

Новый вид топлива изготавливается из растительного сырья и биомассы.

США: автомобили на апельсинах

В США собираются построить завод по производству этанола, которым можно будет заправлять автомобили. Причем главная особенность этого предприятия состоит в том, что оно будет выпускать топливо из… апельсинов! И даже не из самих фруктов, а из их кожуры, которую обычно выкидывают на помойку. Завод будет получать кожуру от местных предприятий по производству соков, так что проблем с поставками сырья быть не должно.

Целлюлозный этанол

Подразделы: Проекты заводов этанола из биомассы

 

Энергетики США недавно написал в своем докладе: «С энергетической и экологической точки зрения зерновой этанол явно превосходит все виды топлива из ископаемого сырья, а этанол, произведенный из биомасссы (целлюлозы) будет следующим значительным шагом вперед».

Так как сырьем для целлюлозного этанола служат стебли кукурузы, травы, опилки, кора деревьев - древесные непищевые остатки - то этот процесс никак не может угрожать пищевому производству. Целлюлоза- это углевод, из которого в основном состоят клеточные стенки растений. Ученые выяснили, как высвободить энергию этой биомассы, сконструировав ферменты для расщепления целлюлозы на простейшие сахара. Целлюлоза всегда в избытке; полученный этанол чист и вполне может обеспечивать энергию для мотора также эффективно, как и бензин. Между тем, промышленное производство этанола из целлюлозы - это заковыристая инженерная проблема.

Теоретический выход этанола из тонны сырья (сухой вес) Сырье Выход, литров

Кукуруза (зерно) 470

Стебли кукурузы 427

Рисовая солома 415

Отходы очистки хлопка 215

Лиственные опилки 381

Багасса 421

Макулатура 439

биодизель рапс этанол топливо

Литература

1. Аксенов И.Я «Транспорт и охрана окружающей среды» Транспорт, 2006. 176с.

. Новиков Ю.В., Голубев И.Р. «Окружающая среда и транспорт» Транспорт, 2007. 207с.

. Луканин В.Н., Трофиненко Ю.В. «Промышленно-транспортная экология» учеб. Для вузов. Высш. Шк. 2011. 273 с.