Биодизель. Альтернативное топливо для транспорта

1. Введение

Транспортное топливо, получаемое из масличных культур, таких как подсолнечник, рапс, соя или же из животного жира, называется биодизелем. Интересно, что растительные масла в дизельных двигателях применяются с момента создания самого дизельного двигателя. Так, Рудольф Дизель - создатель дизельного двигателя - во время демонстрации своего изобретения на Всемирной выставке, происходившей в Париже в 1900 году, в качестве топлива использовал арахисовое масло. По своим характеристикам биодизель практически не отличается от традиционного дизельного топлива. Основное отличие заключается в том, что биодизель производят из биомассы, которая относится к возобновляемым источникам энергии.

Кроме того, он является экологически чистым, подвергается биологическому разложению. По сравнению с традиционным дизелем, при сжигании биодизеля вырабатывается значительно меньший объем загрязняющих экологию выбросов. Для стимулирования производства биодизеля на политическом уровне и с целью повышения общественного сознания многие фермеры в Евросоюзе и США, выращивающие масличные культуры, уже давно используют биодизельную смесь в качестве топлива для своих тракторов и другого оборудования. Как топливо биодизель успешно применяется уже на протяжении более 20 лет, причем, как в Европе, так и в США.

2. Характеристики

Благодаря тому, что качественные характеристики биодизеля очень похожи на характеристики "ископаемого" дизеля, полученным биодизелем можно практически сразу же заправлять дизельный автомобиль. Смешивать биодизель с "ископаемым" дизелем можно в разных пропорциях. Обладая теплотворной способностью на 8% меньшей по сравнению с традиционным дизелем, биодизель обладает более высокой плотностью. Для него характерны высокий уровень воспламеняемости и высокое цетановое число.

Биодизель - единственное альтернативное топливо, которое подходит для любого традиционного дизельного двигателя. Смесь, состоящая из 20% биодизеля и 80% традиционного дизеля (B 20), может быть использована для немодифицированного дизельного двигателя. В то же время, конечно же, предварительно необходимо проверить гарантийные условия производителя автомобиля. Биодизель можно использовать и в чистом виде (В 100), но для этого необходимо модифицировать двигатель своего автомобиля, чтобы избежать проблем с его обслуживанием и эксплуатацией в зимнее время.

Биодезель хранится в таких же условиях, как и "ископаемый" дизель. По своему химическому составу биодизель на 11% состоит из кислорода и не содержит серы. Применение биодизеля продлевает срок службы дизельного двигателя, так как биодизель является отличным смазочным веществом (лучшим по сравнению с традиционным дизелем). Необходимо отметить, что такие показатели как расход топлива, воспламеняемость, теплотворная способность и крутящий момент двигателя - практически одинаковые.

Биодизель достаточно легко транспортировать и использовать. Кроме того, биодизель - менее горюч - температура воспламенения равна 150°C, в то время как температура воспламенения дизеля равна 77°C. Это дает ряд преимуществ. Биодизель биологически растворяется, как и сахар, и в 10 раз менее токсичен, чем поваренная соль. При сжигании биодизеля в двигателе автомобиля полностью отсутствует характерный запах выхлопных газов, образующихся при сжигании традиционного дизеля. Вместо этого ощущается нормальный запах, характерный для процесса приготовления жареного картофеля или попкорна.

3. Производство

Биодизель является возобновляемым видом топлива. Его можно производить из растительных масел, животных жиров или переработанных жирных пищевых отходов, например, из ресторанов. Масличные культуры выращиваются практически во всех регионах мира. Извлеченное масло - это всего лишь один из продуктов, получаемых при производстве биодизеля. Сопутствующие продукты его производства могут быть использованы в качестве фуража или даже как топливо для получения тепла. Следовательно, производство биодизеля может быть легко интегрировано в местный сельскохозяйственный сектор, что приведет к созданию в регионе новой отрасли промышленности и рынка.

Благодаря тому, что для производства биодизеля не требуется промышленных мощностей, его можно получать и в "домашних" условиях. Создание подобного производства в регионе способствует значительному развитию его сельскохозяйственной отрасли. Производство биодизеля дает дополнительную прибыль фермерам и решает вопрос с перепроизводством сельскохозяйственной продукции, существующим в ряде стран мира.

Автобус на биодизеле, город Грац, Австрия

Биодизель получают из различных масличных культур, таких как рапс, пальма, подсолнечник, соя, горчица, а также из твердого животного жира, в том числе, использованного растительного масла или животного жира. Все это сырье - нетоксично, оно подвергается биологическому разложению и является возобновляемым. В основе производства биодизеля лежит выжимка масла из семян растений. Впоследствии полученное масло конвертируется в биодизель, а сопутствующие продукты его производства - так называемый жмых - можно использовать в качестве корма для скота. Неочищенное масло подвергается фильтрации и этерификации - процессу трансформирования разветвленных молекулярных структур в менее разветвленные подобно молекулярным структурам обыкновенного "ископаемого" дизеля. Жиры или неочищенное растительное масло вступают в химическую реакцию со спиртом - обычно метанолом - во время процесса этерификации с целью получения метилэстера (биодизеля) и глицерина. Последний применяется в фармакологической и косметической промышленности.

Пять ведущих стран-производителей биодизеля (2005 год)

4. Окружающая среда

Применение биодизеля в традиционных дизельных двигателях значительно снижает выбросы в атмосферу углеводородов, оксида углерода, сульфатов, ароматических углеводородов и твердых частиц. Кроме того, и это особенно важно, использование биодизеля сокращает количество выбрасываемых в атмосферу токсичных и канцерогенных веществ. Использование чистого биодизеля (100%) может понизить риск раковых заболеваний на 94%. Смесь, состоящая из 20% биодизеля и 80% обычного дизеля (В 20), уменьшает риск раковых заболеваний на 27%. Благодаря тому, что биодизель не содержит серы, при его сжигании в атмосферу не поступает диоксид серы. А высокое содержание в биодизеле кислорода способствует более полному сжиганию CO₂.

Кроме того, в выбросах сокращается содержание углерода в твердых частицах. В связи с этим биодизель прекрасно подходит для такой технологии контроля выбросов в атмосферу как каталитический нейтрализатор. По сравнению с "ископаемым" дизелем, при сжигании чистого биодизеля объемы выбросов в атмосферу диоксида углерода уменьшаются более чем на 75%, а при сжигании 20% биодизеля - на 15%.

Выбросы в атмосферу при сжигании чистого биодизеля (B100).

Очевидным является тот факт, что сельскохозяйственный сектор мог бы полностью обеспечивать себя энергией за счет использования биомассы. Так, сельскохозяйственные машины могут работать на биодизеле, что сразу же приведет к улучшению экологии. Кроме того, при утечке биодизеля или в случае, если это экологически чистое топливо будет пролито, никакого вреда окружающей среде нанесено не будет. К примеру, в Германии трактора работают на биодизеле, в первую очередь, как раз по экологическим причинам.

Выбросы парниковых газов

Растения, имеющие масличные семена, из которых и производят пищевое растительное масло и биодизель, поглощают CO₂, необходимый им для "строительства" стеблей, листьев, семян, корней. При сжигании биодизеля и в процессе разложения растительных отходов диоксид углерода "возвращает" в атмосферу углерод, "полученный" из топлива и растительного материала.

Благодаря рециркуляции в атмосфере диоксида углерода, углерод поглощается растениями, а затем вновь поступает в атмосферу - предотвращается его накопления в атмосфере.

5. Энергетический баланс

По данным отчета "Описание жизненного цикла биодизеля и нефтяного дизеля для их использования городскими автобусами", подготовленного Департаментами по энергии и сельскому хозяйству США, энергетическим баланс (отношение теплотворная способность/ энергозатраты) биодизеля, произведенного из сои, выражается отношением 3,2: 1. Это означает, что на каждую единицу энергии, затраченной на выращивание сои и получение биодизеля из соевого масла, мы получаем 3,2 единицы энергии, что равняется 320% энергоэффективности биодизеля. Причиной того, что энергоэффективность превышает 100%, является тот факт, что растущая соя "преобразует" энергию Солнца в химическую энергию (масло). При повышении энергетического баланса урожая, например, за счет использования пальмового масла, отработанного масла, горчицы или водорослей, показатель энергетического баланса еще выше (см. таблицу).

Энергетический баланс биодизеля

Озимый рапс

Озимый рапс, выращиваемый в Европе, - один из важнейших источников сырья для получения растительного масла, используемого на транспорте. Получаемое из него масло можно применять как в питании, так и в качестве топлива, а отходы производства (фильтр - прессный осадок) являются ценным фуражом. Выращивать озимый рапс можно без использования пестицидов. В целом, в сельском хозяйстве отсутствие пестицидов во время сельскохозяйственных работ ведет к потере определенных процентов урожая (в среднем 23% для зерновых), однако, согласно датскому опыту, отсутствие пестицидов при выращивании озимого рапса выражается лишь в 7%-ной потере урожая. Озимый рапс сегодня является одной из составных частей органического сельского хозяйства Дании. За последние два года его производство увеличилось в четыре раза.

Растительное масло (холодный отжим)

Еще одним альтернативным топливом для дизельных двигателей является растительное масло (чистое). Как и в предыдущем случае, можно использовать и чистое растительное масло, и отработанное пищевое. Для обеспечения надежности и продолжительности эксплуатации дизельного двигателя перед заправкой растительным маслом двигатель необходимо предварительно немного модернизировать. В частности, в автомобилях, заправляемых различными видами дизеля, устанавливается дополнительный топливный бак и клапан для "переключения" топливной системы автомобиля с дизеля на биодизель (чистое растительное масло) и обратно. Двигатель должен быть модифицирован таким образом, чтобы растительное масло нагревалось до температуры не ниже 70°C.

Использование озимого рапса в датском центре по возобновляемой энергетике "Folkecenter"

Рапсовое масло холодного отжима, демонстрирующее четко выраженные положительные показатели энергетического и экологического (CO2) баланса, представляет собой лучшую альтернативу "ископаемому" дизельному топливу с точки зрения как энергетики, так и экологии. Применение рапсового масла на транспорте может полностью заменить потребление транспортного топлива в агропромышленном комплексе. Согласно оценкам экспертов, при традиционном выращивании озимого рапса общее потребление топлива сельскохозяйственным сектором Дании может быть обеспечено за счет посева рапса на 10% сельскохозяйственных земель страны. При этом дополнительно будет обеспечено 20% протеинового фуража для животноводческой отрасли и 81% общего валового энергопотребления в сельском хозяйстве.

Сельское хозяйство и лесная промышленность являются единственными отраслями экономики, которые напрямую зависят от энергии Солнца. Это происходит за счет "производства " различных видов биомассы, которые могут быть использованы как для пищи (напрямую или косвенно в виде фуража), так и для получения энергии. С точки зрения общего понимания экономической и энергетической сбалансированности естественным является участие сельскохозяйственной отрасли в энергообеспечении своей страны.

После проведения небольшой модернизации двигателя рапсовое масло холодного отжима может полностью заменить дизельное топливо. Рапсовое масло является экологически чистым, оно не пожароопасное и не наносит вред здоровью людей. Отжим масла осуществляется на достаточно недорогом оборудовании при низком потреблении электроэнергии. В принципе, производство растительного масла из рапса можно легко наладить в условиях одной фермы, в отличие от производства других видов биодизеля (процесс этерификации), когда необходимо наладить довольно дорогое, достаточно энергоемкое централизованное промышленное производство. Следовательно, рапсовое масло холодного отжима - лучшая энергетическая и экологическая альтернатива "ископаемому" дизелю. Энергетический и экологический баланс (баланс выбросов CO2) также положителен.

Энергетический баланс

Не имеет значения, какие показатели - валовые или нетто - используется при расчетах. Не важно, включены или нет показатели по рапсовому жмыху. В любом случае показатель энергетического баланса четко положительный.

Потребление энергии

Расчет валового потребления энергии выполнен по методу, предложенному Датским энергетическим агентством. С поправкой на различие между рапсовым маслом и другими видами биодизеля потребление энергии в процессе выращивания и переработки рапса составляет 10,83 МДж/л рапсового масла, что соответствует 3,922 ГДж/т рапсовых семян или 12,2 ГДж/га. Из этих 12,2 ГДж/га 7,0 ГДж/гa включают в себя местное энергопотребление в виде 4,9 ГДж/га дизельного масла и 2,1 ГДж/га электроэнергии. Потребление энергии, вырабатываемой за счет ископаемых энергоносителей, может быть полностью заменено возобновляемой энергией, вырабатываемой за счет использования сельскохозяйственного урожая в виде рапсового масла, и электроэнергией, вырабатываемой за счет сжигания рапсовой соломы.

C площади в 1 гектар можно собрать урожай:

1) рапсовые семена - 3 тонны, что позволяет получить:

• рапсовое масло - 1 тонна = 1086 л рапсового масла, что соответствует 1032 л дизеля;
• рапсовый жмых / фураж - 2 тонны;

2) рапсовая солома - 3,9 тонны

Энергетическая ценность урожая:

Рапсовое масло: 37,53 MДж/л x 1086 л/га = 40,76 ГДж/га (30%)

Рапсовый жмых: 19,32 MДж/кг x 2000 кг/га = 38,64 ГДж/га (28%)

Рапсовая солома: 14500 MДж/т x 3,9 т/га = 56,55 ГДж/га (42%)

Всего: 135,95 ГДж/га (100%)

Как видно, общая теплотворная способность урожая рапса составляет 135,95/12,2, то есть в 11,16 раза больше валового потребления энергии за счет ископаемых источников энергии. При использовании местных возобновляемых источников энергии показатель теплотворной способности рапса даже больше. Он в 24,85 раз выше валового потребления энергии ископаемых источников энергии.

Энергетический баланс, ГДж/га

Величина теплотворной способности рапсовой соломы в 4,5 раз выше энергопотребления. Можно также заметить, что, кроме использования рапсового жмыха в качестве фуража, его можно использовать и для получения энергии - либо на биогазовом заводе, либо на когенерационной энергостанции.

Разделы модуля 6