Биодизель - это экологически чистое топливо для дизельных двигателей, получаемое путем химической обработки растительного масла или животных жиров, которое может служить добавкой к дизельному топливу или полностью заменять его.

В настоящее время ряд стран (Австрия, Канада, Дания, Европейский союз, Финляндия, Ирландия, Нидерланды, Швеция, США и Великобритания) ведут совместные работы по созданию биологического топлива для транспортных двигателей. Биодизель считается одним из наиболее перспективных возобновляемых альтернативных топлив.

История вопроса.

В 1878 г. Рудольф Дизель ознакомился с работой Карно, который теоретически доказал, что может быть создан тепловой двигатель с к.п.д. значительно более высоким, чем у паровой машины того времени. Эффективность цикла Карно увеличивается с ростом степени сжатия газа. Дизель применил теорию Карно к двигателю внутреннего сгорания. Он хотел создать двигатель с максимально высокой степенью сжатия. Для этого топливо в рабочий цилиндр вводится только в определенный момент и воспламеняется от тепла предварительно сжатого воздуха. Двигатель Дизеля, получивший его имя - дизель, имеет к.п.д. более высокий, чем бензиновый двигатель с принудительным зажиганием, и существенно более высокий, чем паровой двигатель. Дизель получил патент на свое изобретение в 1893 г. и продемонстрировал работающий двигатель в 1897 г. На Всемирной выставке в 1900 г. был показан его двигатель, работавший на масле из семян сосны с перспективой использования в качестве топлива растительного масла. Именно эти эксперименты легли в основу исследований, которые в дальнейшем привели к созданию биодизеля.

Биодизель может быть получен разными способами. Для этого растительные масла или жиры преобразуются в жирные кислоты, которые в свою очередь преобразуются в эфиры. Масла или жиры могут также непосредственно преобразовываться в метиловый или этиловый эфиры, используя кислоту или ускоренную каталитическую реакцию. Самый обычный метод получения биодизеля, известный как трансэфиризация, состоит в расщеплении молекулы глицерольного эфира жирной кислоты на молекулы метилового эфира.
биодизель - это название, данное эфирам соответствующих масел, которые используются как дизельное топливо. Это неядовитое, разлагаемое микроорганизмами жидкое топливо состоит из длинных цепей моноалкиловых эфиров жирных кислот и может использоваться либо в чистом виде, либо в смеси с дизельными нефтяными топливами.

Особое место в технологическом цикле изготовления биодизеля отводится его испытаниям и контролю качества. Из множественных существующих методов испытаний биодизеля наиболее перспективными для оценки его качества считаются новые методы, предусмотренные американскими стандартами 14105 и ASTM D658 Если при проверке топливо не соответствует положительной оценке, оно подвергается доработке с последующим повторным испытанием.

Оставшийся в топливе глицерин может вызвать забивание распыливающих отверстий форсунки. Появление свободного и полного глицерина в биодизеле обусловлено, недостаточным преобразованием масла или жира в желательный моноалкиловый эфир.

Обычно биодизель из-за его высокой стоимости смешивают с дизельным топливом (ДТ). Другой причиной для применения смеси из биодизеля и ДТ являются неудовлетворительные пусковые свойства двигателя, работающего на биодизеле при низкой температуре.

Биодизель может использоваться в различных целях. Его можно применять в качестве смазывающей добавки (1…2 %) к дизельному топливу с крайне низким м серы, а смесь 20 % биодизеля с 80 % дизельного топлива (B2 обычно служит заменой ДТ, которым, согласно стандарту ASTM, могут быть ДТ1, ДТ2, авиационный керосин или другие продукты переработки нефти. При соответствующей подготовке можно использовать в двигателе и чистый биодизель (В10 .

В настоящее время B20 - самая распространенная биодизельная смесь в Соединенных Штатах. Считается, что она позволяет удачно сбалансировать требования, связанные с особенностями ДТ, рабочими характеристиками, эмиссией отработавших газов и стоимостью. Эта смесь может использоваться в системах, предназначенных для работы на дизельном топливе, в том числе в дизельных двигателях, нефтяных нагревательных котлах и турбинах, не требуя никаких перерегулировок и переделок.

Применение смесей с более высоким м биодизеля (типа B50 или B10 требует специальной подготовки системы управления и может потребовать модификации оборудования, например, применения специальных подогревателей или замены уплотнений и прокладок, которые контактируют с топливом. В целом считается, что: B100 обеспечивает наиболее высокие экологические характеристики.; B20 обеспечивает получ. впятеро меньших экологических преимуществ по сравнению с B100, но может широко использоваться на существующих двигателях при незначительной их модификации или вообще без нее; 2-процентная смесь биодизеля с ДТ обеспечивает незначительное улучшение экологических характеристик, но может использоваться как полезная добавка.
Одной из наиболее важных характеристик ДТ является его способность к самовоспламенению. Эта характеристика определяется величиной цетанового числа топлива (цетановым индексом). Американское ДТ имеет сравнительно невысокие цетановые числа, в среднем, около 40, а европейское ДТ имеет цетановый индекс 50 ед. Исследования показали, что цетановые числа биодизеля лежат в интервале величин от 45,8 до 56,9 ед.

Другой важной характеристикой дизельного топлива являются его смазочные свойства. Смазка топливных форсунок и некоторых типов топливных насосов обеспечивается самим топливом. Биодизель имеет лучшие смазочные свойства, чем современные ДТ с низким м серы (500 весовых частей серы на 1 млн весовых ед. топлива - 500 ppm). Проблема улучшения смазочных свойств ДТ обострится, когда будет введено требование об уменьшении содержания серы в ДТ (до 15 ppm). Как показывают исследования, добавление 1…2 % (по объему) биодизеля в смесь с ДТ с низким м серы улучшают смазочные свойства этого топлива.
В продуктах сгорания биодизеля отсутствуют сера или частицы ароматиков. Биодизель содержит до 10 % кислорода, что способствует активизации цикла сгорания при работе двигателя на богатых смесях.

Биодизель обладает определенными недостатками. Как упоминалось ранее, в холодных условиях двигатель работает на биодизеле заметно хуже, чем на ДТ. Температура начала цикла, при которой топливо становится мутным, называют точкой кристаллизации (помутнения). При так же более низкой температуре топливо теряет текучесть, становится гелем, который не может быть прокачан по трубопроводу. Оба названных температурных порога у биодизеля выше, чем у ДТ.

С другой стороны, повышенная растворяющая способность биодизеля и его агрессивность могут создать проблемы для топливной системы. Биодизель может оказаться несовместимым с материалами уплотнений, используемыми в топливных системах транспортных средств машин, выпущенных до 1994 г. Поэтому переход на использование смесей B20 или B100 в любом транспортном средстве или машине требует большой осторожности.

Биодизель не оказывает существенного положительного влияния на увеличение эффективной энергии в двигателе. Эффективная энергия - это доля полной тепловой энергии топлива, введенного в двигатель. Термин объемная эффективность лучше знаком пользователям транспортных средств. Обычно объемная эффективность характеризуется величиной расхода топлива на единицу пути или величиной пробега на единицу объема топлива. энергии в единице объема биодизеля на 11 % ниже, чем у ДТ, поэтому транспортное средство, работающее на В20, при прочих равных условиях будет иметь пробег на 2,2 % меньший (на единицу объема топлива), чем при работе на ДТ.

Приблизительно 11 % массы B100 составляет кислород. Присутствие кислорода в биодизеле улучшает цикл сгорания и способствует уменьшению выбросов углеводородов, угарного газа и сокращению эмиссии макрочастиц; но при этом кислородосодержащие топлива имеют тенденцию к увеличению эмиссии окислов азота. Результаты испытаний подтверждают соответствующие теоретические предположения.

Увеличение эмиссии окислов азота при работе на биодизеле создает достаточные первопричины для беспокойства, поэтому в США Национальная лаборатория охраны окружающей среды (NREL) провела исследования, связанные с поиском путей уменьшения эмиссии окиси азота при работе на биодизеле. Установлено, что добавление цетаноповышающих агентов, таких как ди-терт-бутил пероксид в количестве 1…2 % или этил-нитрата в количестве 0,5 % способствует уменьшению эмиссии окислов азота при сгорании биодизеля. Такой же эффект дает сокращение ароматиков от 31,9 до 25,8 % в ДТ. Эмиссия окислов азота в смесях с биодизелем может быть уменьшена путем добавления в них керосина или ДТ марки Fischer-Tropsch. Керосин, смешанный с 40 % биодизеля, обеспечивает эмиссию окислов азота не выше, чем она бывает при работе на ДТ. Этот же результат дает смесь ДТ Fischer-Tropsch с 54 % биодизеля.
Большинство исследований эмиссии биодизеля было выполнено на существующих двигателях тяжелых шоссейных грузовых автомобилей. Результаты исследований легли в основу стандартов на эмиссию.

Применение биодизеля из натурального растительного масла вместо ДТ обеспечивает уменьшение эмиссии углекислого газа и расхода топлива. Это утверждение основано на результатах анализа работы двигателя на биодизеле и ДТ в течение его жизненного цикла. По оценке NREL использование биодизеля марки В100 из бобов сои в двигателях городских автобусов уменьшает эмиссию углекислого газа на 78,45 %. Следует отметить, однако, что количество СО2, выделяемое в атмосферу с учетом промышленного производства биодизеля (в расчете на жизненный цикл работы дизеля), практически нивелирует экологические преимущества от его сгорания в двигателе.

Как отмечено выше, замена обычного ДТ на B100 уменьшает большинство вредных примесей в ОГ, но увеличивает окислов азота. Так, например, при использовании B100 сокращается углеводородов (HC), но приблизительно на 10 % увеличивается количество окислов азота (NOx), и в городских условиях это приводит к образованию смога. Смог затрудняет работу легких, приводит к обострению астмы и может вызвать хронические заболевания органов дыхания.

Увеличение выделений NOx в ОГ может быть минимизировано модификацией двигателей, применением специальных доб * к топливу или использованием реакторов-дожигателей.

Хотя эмиссия углеводородов HC при сгорании топлива с биодизелем уменьшается по сравнению с работой на ДТ, их выброс в атмосферу с учетом выделений при промышленном производстве биодизеля суммарно оказывается на 35 % выше, чем при применении ДТ.

Сажа. При применении B100 происходит приблизительно 50-процентное сокращение выброса твердых частиц (РМ или сажи). Исследования показали резко отрицательное влияние сажи на здоровье человека, ее наличие приводит к легочным заболеваниям и может вызвать преждевременную смерть.

Ядовитые выделения в атмосферу. Выделения от сгорания В100 на 60…90 % менее токсичны, чем при сгорании ДТ. Такие компоненты, как формальдегид и бензол могут причинить большой вред здоровью, вызывая рак, нарушения работы иммунной и репродуктивной систем.

Другие экологические характеристики биодизеля. Биодизель неядовит и разлагается в четыре раза быстрее, чем обычное ДТ. Его попадание в воду или другие области окружающей среды сопряжено с гораздо менее вредными последствиями.

При производстве биодизеля объем образующихся опасных отходов примерно на 95 % меньше, чем при производстве нефтяного дизельного топлива, зато количество неопасных отходов приблизительно удваивается. Опасные отходы обычно являются следствием применения химических веществ, связанных с очисткой нефти, а большинство неопасных отходов - это продукты переработки сои.

Эксперименты с биодизелем были начаты, как известно, так же в 1850 г., после изобретения двигателя Рудольфом Дизелем. Интерес к биодизелю возобновился в 70-х годах прошлого века., но его выпуск в коммерческих целях начался только в конце 90-х годов.
В 1999 г. промышленный впуск биодизеля составлял 32,6 баррелей/день и достиг 437 баррелей/день в 2000 г. Реальное возрождение биодизеля началось в 90-х гг., когда во Франции, Германии, Чешской республике, Швеции и Австрии появились заводы по производству биодизеля.

В то время, как биологическое топливо обладает существенными потенциальными преимуществами по сравнению с обычным дизельным топливом, его стоимость остается существенно более высокой, чем стоимость ДТ. В результате, биологическое топливо получило развитие только в тех странах, которые признали реальные долговременные выгоды от его применения и приняли соответствующие государственные решения в его поддержку.

Успешное развитие данного направления промышленности сдерживается сложностью и недостаточной изученностью проблемы, а также разобщенностью прилагаемых для ее решения усилий. Объем выпуска этого топлива в Европе постоянно растет. Оно предназначено, в основном, для использования в грузовых автомобилях. Существуют три наиболее крупных центра промышленного производства этого топлива в Европе - Австрия, Франция и Германия. Выпуск биодизеля составляет сейчас, соответственно, 7,5%, 0,7% и 0,4% от общего количества потребляемого в этих странах дизельного топлива. В Германии, Австрии и Швеции 100-процентный биодизель применяется на специально приспособленных для этого автомобилях. В среднем потребление биодизеля составляет ~1% от расхода дизельного топлива. Качество биодизеля достигло высокого уровня, который удовлетворяет требованиям европейского стандарта EN 14214, американского стандарта D-6751-02 и др.

В мировом производстве биодизеля ведущую роль играет Европа, выпустившая более 1,6 млн т биодизеля в 2002 г. и способная изготавливать его в количестве более 2,1 млн т в год.

Производство биодизеля в ЕС началось с небольших объемов, менее чем 10000 метрических тонн в год, а в настоящее время достигло 250000 метрических тонн в год и более.

По сравнению с Европой рынок биодизеля США находится все так же в начальной стадии развития. В Европе в 2005 г., в основном в Германии, было произведено 800 миллионов галлонов биодизеля, а в США - всего 10 % этого количества.

Однако решения, принятые в этой области на государственном уровне в США, создали условия для резкого развития промышленного производства биодизеля. В период с 2004 по 2005 гг. выпуск биодизеля в США вырос с 25 млн до 75 млн галлонов в год.

В выпуске Обзора мирового промышленного производства биодизеля за 1997 г. отмечалось, что основным сырьем для выпуска биодизеля является растительное масло.

Рапсовое масло. Обладает относительно высокой стойкостью к окислению. йода (IV) в нем ниже, чем 120 ед., оно удобно для использования в зимних условиях, а рапс дает большие урожаи. Поэтому значительные площади заняты именно этой культурой под сырье для биодизеля.

Подсолнечное масло. В настоящее время урожаи подсолнечника ниже, чем урожаи рапса, но он хорошо произрастает в странах с теплым и сухим климатом. йода (IV) в нем выше, чем 120 (согласно европейскому Стандарту EN 14214 его не должно быть более 12 , поэтому его приходится смешивать с другими маслами, содержащими меньшее количество йода.

Животные жиры и отходы пищевых жиров. Применение этого вида сырья в Европе определяется Стандартом EN 1424 Животные и пищевые жиры содержат повышенное количество полимеров, но они получили распространение в тех странах, где они довольно дешевы и обеспечивают достаточную доходность.

Соевое масло. Оно получило широкое распространение в США и Аргентине. Масло сои имеет повышенное йода (более 12 , но на него не распространяется действие европейского стандарта EN 14214, а американский стандарт D-6751-02 не содержит подобных ограничений.

Пальмовое масло. Широко используется в Малайзии с 1987 г. для производства биодизеля. Из-за характерной для пальмового масла температуры снижения жидкотекучести при + 11°C его применение ограничено странами с теплым климатом (может использоваться в них только в смесях с другим сырьем).

Другие источники. Потенциальные возможности использования других семян масличных культур в качестве сырья для получения биодизеля полностью так же не исследованы. Применение ореховых масел начато в Никарагуа, опыты по использованию хлопкового масла успешно проведены в Греции.

Семена новых масличных культур. Для получения биодизеля с оптимизированными св могут рассматриваться культуры: с минимальным м полиненасыщенных жирных кислот типа линолевой кислоты (18: ; с максимальным м мононепредельных жирных кислот, типа олеиновой кислоты (18: , чтобы обеспечить хорошую стабильность в сочетании с удобством зимнего использования; с минимальным уровнем насыщаемых жирных кислот (16: и стеариновой кислоты (18: для удобства зимнего использования.

Стремление увеличить объемы производства биодизеля может привести к использованию генетически измененных зерновых культур, применению пестицидов и расширению площадей под сельскохозяйственные культуры - сырье для его выпуска.

Однако, как показывают проведенные расчеты, максимально возможный объем выпуска биодизеля (с учетом всех видов потенциального сырья) может составить не более одного миллиарда галлонов в год, т.е. менее 3 % от современного объема выпуска нефтяного дизельного топлива.

стоимость биодизеля марки B100 может быть в два раза выше цены обычного ДТ, в то время как при меньшем его содержании в смеси с ДТ стоимость такого топлива соответственно снижается. стоимость на биодизель зависит от региона его производства, используемого сырья и, как отмечалось, от процентного содержания в смеси с дизельным топливом. В США Администрация по делам информации и энергии (EIA) использует эффективный метод моделирования влияния затрат на производство сырья для определения объемов промышленных и эксплуатационных расходов. Животный (желтый) жир дешевле, чем масло сои, но его объемы ограничены, в том числе и из-за того, что он применяется в качестве кормовых доб * , и при изготовлении мыла и других моющих средств. С 1993 до 1998 гг. поставка животного жира в США была на уровне 2,633 млрд фунтов, что позволяло получать 344 млн галлонов (22440 баррелей/день) биодизеля. EIA считает, однако, что конкурирующее использование может ограничить производство биодизеля из животного жира величиной в 100 млн галлонов/год (6523 баррелей/день). Ценовые прогнозы EIA для масла сои основываются на данных американского министерства земледелия (USDA) и материалах других организаций. Прогнозы составляют для дизельных топлив, например, в 2007/2008 2,44 долл. /галлон.

Прогнозируемые цены на животный жир были получены с использованием прогнозных оценок стоимости масла сои.
Оценки стоимости других составляющих производства биодизеля основываются на анализе цикла его получения с метиловым спиртом при катализации цикла гидратом окиси натрия, приводящей к получению метилового эфира (биодизеля) и глицерина. При этом эксплуатационные расходы были оценены величиной 31 цент/галлон, за исключением стоимости масла или жира, и затрат энергии и выручки от продажи глицерина, которая уменьшает стоимость биодизеля на 15 центов/галлон.

В цикле производства биодизеля на каждый его галлон требуется затратить 0,083 кВт·ч электроэнергии и 10 ккал тепловой энергии, получаемой от сжигания природного газа. По оценке EIA затраты энергии составят 18 центов/галлон в 2004 г. и 16 центов/галлон в 2005 и 2006 гг. Затраты на строительство завода по выпуску биодизеля оценивают в размере 1,04 долл. на величину объемного ежегодного выпуска биодизеля в галлонах. Окупаемость такого завода с ежегодными кредитными выплатами по 10 % может быть обеспечена через ~ 15 лет.

Сообщается, что заводы по производству биодизеля с программой выпуска 60...80 млн галлонов/год уже построены.
В настоящее время есть благоприятная ситуация для развития промышленного производства биодизеля. Она связана с предстоящим переводом дизелей грузовых автомобилей на топлива с резко сниженным м серы (с 500 до 15 ppm). Такой переход требует существенного изменения технологии очистки нефти от серы, что связано с модернизацией производства и крупными финансовыми затратами. Известно, что биодизель практически не содержит серы. Поэтому проблема получения низкосернистого топлива для транспортных дизелей может быть решена не очисткой ДТ от серы, а внедрением биодизеля.

В течение прошедших нескольких лет USDA выпущены гранты на организацию производства биодизеля. Сообщается, что если изготовитель будет производить биодизель из натурального масла, например, масла из бобов сои, то ему может быть предоставлен кредит в размере 1 долл./галлон на объем планируемого выпуска биодизеля. При изготовлении биодизеля из животных жиров кредит составит 50 центов/галлон.

В США Министерством энергетики (DOE) разработана программа, называемая EPAct. Она предусматривает определенный процент отчислений в пользу государственных владельцев транспортных средств, использующих биодизель. Кроме того, EPAct поставила цель заменить к 2000 г. 10 % ДТ альтернативными топливами (биодизелем). К 2010 г. такая замена должна составить 30 %. Согласно EPAct 75 % государственных транспортных средств должныбыть способны работать на биодизеле, что должно послужить примером для развития этого направления для частных автомобильных и топливных отраслей промышленности. Уточнения, внесенные в этот Акт в 1998 г., предусматривают выдачу льготных кредитов на покупку автомобилей с двигателями, работающими на биодизеле. Отмечается, что созданные стимулы развития производства и использования биодизеля наиболее активно восприняты Министерством обороны США.

В октябре 2004 г. Конгресс США ввел налоговые льготы для пользователей биодизеля. Величина льготы является функцией его процентного содержания в смеси с нефтяным дизельным топливом. Так, при использовании биодизеля марки В20 дается ценовая скидка 20 центов на галлон, при использовании В5 скидка составляет 5 центов на галлон. Скидки на биодизель, получаемый из животных жиров, установлены в два раза меньшими, чем на биодизель из растительных масел.

В заключение можно отметить, что в последние годы за рубежом были разработаны множественные директивные документы в обеспечение развития альтернативного топлива. Они дорабатываются и уточняются в соответствии с решаемыми задачами, основными из которых являются: сокращение рисков, вызванных отравлениями отработавшими газами двигателей (CO, HC, PM, NOX и др.). К числу таких документов относятся Акт Чистый воздух (США), директива Качество топлив (ЕС), стандарты EPA для двигателей внедорожных автомобилей, стандарты на чистоту ОГ (EURO-emission), стандарты для частных автомобилей и тяжелых грузовых автомобилей (программы Автотопливо I и II, ЕС, и др.); сокращение рисков, вызванных парниковым эффектом и глобальным изменением климата. Это новая Директива по использованию биологического топлива (Европейский Союз) и добровольное соглашение ACEA (Ассоциация разработчиков Европейских автомобилей) о допустимом к 2008 г. максимальном уровне выбросов СО2 , составляющем 140 г/км; сокращение рисков по энергообеспечению транспортного сектора. Это Акт EPAct (США) и новая Директива по развитию и использованию биологического топлива (Европейский Союз); сокращение рисков, связанных с нанесением ущерба окружающей среде, вызываемого ядовитыми веществами.

Биодизель - один из видов альтернативных топлив, которые могут снизить нефтяную зависимость и уменьшить глобальное загрязнение атмосферы. Использование концентрированных смесей биодизельного топлива в существующих транспортных дизелях может обеспечить их существенные преимущества по сравнению с работой на ДТ в отношении экологических показателей, ядовитых выделений, при этом биодизельное топливо является возобновляемым. Использование B20 в дизелях шоссейных автомобилей уменьшает путевой расход ДТ на ~ 5 %. Более значительная экономия топлива и экологическая чистота ОГ требуют перехода на высокое процентное биодизеля в смеси.

Источник: http://engine.aviaport.ru