Модуль 6.1

Біодизель. Альтернативне паливо для транспорту

1. Вступ

Транспортне паливо, одержуване з олійних культур, таких як соняшник, ріпак, соя або з тваринного жиру, називається біодизелем. Цікаво, що рослинні олії в дизельних двигунах застосовуються з моменту створення самого дизельного двигуна. Так, Рудольф Дизель - творець дизельного двигуна - під час демонстрації свого винаходу на Всесвітній виставці, що відбувалася в Парижі в 1900 році, як паливо використовував арахісове масло. За своїми характеристиками біодизель мало відрізняється від традиційного дизельного палива. Основна відмінність полягає в тому, що біодизель виробляють із біомаси, яка відноситься до відновлюваних джерел енергії.

Крім того, він є екологічно чистим, зазнає біологічного розкладання. У порівнянні з традиційним дизелем, при спалюванні біодизеля виробляється значно менший обсяг викидів, що забруднюють екологію. Для стимулювання виробництва біодизеля на політичному рівні та з метою підвищення суспільної свідомості багато фермерів у Євросоюзі та США, які вирощують олійні культури, вже давно використовують біодизельну суміш як паливо для своїх тракторів та іншого обладнання. Як паливо біодизель успішно застосовується вже протягом понад 20 років, причому як у Європі, так і в США.

2. Характеристики

Завдяки тому, що якісні характеристики біодизеля дуже схожі на характеристики викопного дизеля, отриманим біодизелем можна практично відразу ж заправляти дизельний автомобіль. Змішувати біодизель з "викопним" дизелем можна у різних пропорціях. Маючи теплотворну здатність на 8% меншу в порівнянні з традиційним дизелем, біодизель має більш високу щільність. Для нього характерні високий рівень займистості та високе цетанове число.

Біодизель – єдине Альтернативне паливо, яке підходить для будь-якого традиційного дизельного двигуна. Суміш, що складається з 20% біодизеля та 80% традиційного дизеля (B20), може бути використана для немодифікованого дизельного двигуна. У той же час, звичайно ж, необхідно попередньо перевірити гарантійні умови виробника автомобіля. Біодизель можна використовувати і в чистому вигляді (100), але для цього необхідно модифікувати двигун свого автомобіля, щоб уникнути проблем з його обслуговуванням та експлуатацією в зимовий час.

Біодезель зберігається в таких же умовах, як і дизель. За своїм хімічним складом біодизель на 11% складається з кисню і не містить сірки. Застосування біодизеля продовжує термін служби дизельного двигуна, оскільки біодизель є чудовою мастильною речовиною (кращою порівняно з традиційним дизелем). Необхідно відзначити, що такі показники як витрата палива, займистість, теплотворна здатність і момент двигуна, що крутить, - практично однакові.

Біодизель досить легко транспортувати та використовувати. Крім того, біодизель - менш горючий - температура займання дорівнює 150°C, тоді як температура займання дизеля дорівнює 77°C. Це дає низку переваг. Біодизель біологічно розчиняється, як і цукор, і в 10 разів менш токсичний, ніж кухонна сіль. При спалюванні біодизеля у двигуні автомобіля повністю відсутній характерний запах вихлопних газів, що утворюються при спалюванні традиційного дизеля. Натомість відчувається нормальний запах, характерний для процесу приготування смаженої картоплі чи попкорну.

3. Виробництво

Біодизель є поновлюваним видом палива. Його можна виробляти з олії, тваринних жирів або перероблених жирних харчових відходів, наприклад, з ресторанів. Олійні культури вирощуються практично у всіх регіонах світу. Вилучене масло - це лише один із продуктів, одержуваних при виробництві біодизеля. Супутні продукти його виробництва можуть бути використані як фураж або навіть як паливо для отримання тепла. Отже, виробництво біодизелю може бути легко інтегровано до місцевого сільськогосподарського сектору, що призведе до створення в регіоні нової галузі промисловості та ринку.

Завдяки тому, що для виробництва біодизеля не потрібні промислові потужності, його можна отримувати і в "домашніх" умовах. Створення такого виробництва у регіоні сприяє значному розвитку його сільськогосподарської галузі. Виробництво біодизеля дає додатковий прибуток фермерам і вирішує питання з перевиробництвом сільськогосподарської продукції, що існує у низці країн світу.

Автобус на біодизелі, місто Грац, Австрія Малюнок 1

Біодизель отримують з різних олійних культур, таких як ріпак, пальма, соняшник, соя, гірчиця, а також з твердого тваринного жиру, у тому числі використаної рослинної олії або тваринного жиру. Вся ця сировина - нетоксична, вона піддається біологічному розкладанню і є відновлюваною. В основі виробництва біодизеля лежить вичавка олії з насіння рослин. Згодом отримане масло конвертується в біодизель, а супутні продукти його виробництва - так званий макуха - можна використовувати як корм для худоби. Неочищена олія піддається фільтрації та етерифікації - процесу трансформування розгалужених молекулярних структур у менш розгалужені подібно до молекулярних структур звичайного "викопного" дизеля. Жири або неочищена рослинна олія вступають у хімічну реакцію зі спиртом – зазвичай метанолом – під час процесу етерифікації з метою одержання метилестера (біодизелю) та гліцерину. Останній застосовується у фармакологічній та косметичній промисловості.

П'ять провідних країн-виробників біодизеля (2005 рік)

  Виробництво (млн літрів)
Німеччина 1,920
Франція 511
США 290
Італія 227
Австрія 83
Малюнок 2 Малюнок 3

4. Довкілля

Застосування біодизеля у традиційних дизельних двигунах значно знижує викиди в атмосферу вуглеводнів, оксиду вуглецю, сульфатів, ароматичних вуглеводнів та твердих частинок. Крім того, і це особливо важливо, використання біодизелю скорочує кількість токсичних і канцерогенних речовин, що викидаються в атмосферу. Використання чистого біодизеля (100%) може знизити ризик ракових захворювань на 94%. Суміш, що складається з 20% біодизеля і 80% звичайного дизеля (20), зменшує ризик ракових захворювань на 27%. Завдяки тому, що біодизель не містить сірки, при спалюванні його в атмосферу не надходить діоксид сірки. А високий вміст у біодизелі кисню сприяє більш повному спалюванню CO2.

Крім того, у викидах скорочується вміст вуглецю в твердих частках. У зв'язку з цим біодизель чудово підходить для такої технології контролю викидів в атмосферу, як каталітичний нейтралізатор. Порівняно з "викопним" дизелем, при спалюванні чистого біодизеля обсяги викидів в атмосферу діоксиду вуглецю зменшуються більш ніж на 75%, а при спалюванні 20% біодизеля - на 15%.

Викиди в атмосферу при спалюванні чистого біодизеля (B100).

Співвідношення викидів для біодизеля та дизеля
Монооксид вуглецю – 45 %
Вуглеводні – 56 %
Тверді частинки – 55 %
Оксиди азоту + 5%
Mutagenicity - 80% - 90%

Очевидним є той факт, що сільськогосподарський сектор міг би повністю забезпечувати себе енергією за рахунок використання біомаси. Так, сільськогосподарські машини можуть працювати на біодизелі, що відразу призведе до покращення екології. Крім того, при витоку біодизеля або у випадку, якщо це екологічно чисте паливо буде пролито, ніякої шкоди навколишньому середовищу не буде завдано. Наприклад, у Німеччині трактори працюють на біодизелі, в першу чергу, саме з екологічних причин.

Викиди парникових газів

Малюнок 4

Рослини, що мають олійне насіння, з яких і виробляють харчову олію та біодизель, поглинають CO2, необхідний їм для "будівництва" стебел, листя, насіння, коріння. При спалюванні біодизеля та в процесі розкладання рослинних відходів діоксид вуглецю "повертає" в атмосферу вуглець, "отриманий" з палива та рослинного матеріалу.

Завдяки рециркуляції в атмосфері діоксиду вуглецю, вуглець поглинається рослинами, а потім знову надходить в атмосферу - запобігає його накопиченню в атмосфері.

5. Енергетичний баланс

За даними звіту "Опис життєвого циклу біодизеля та нафтового дизеля для їх використання міськими автобусами", підготовленого Департаментами з енергії та сільського господарства США, енергетичним балансом (відношення теплотворна здатність/енерговитрати) біодизеля, виробленого із сої, виражається ставленням 3,2 : 1. Це означає, що на кожну одиницю енергії, витрачену на вирощування сої та отримання біодизеля з соєвої олії, ми отримуємо 3,2 одиниці енергії, що дорівнює 320% енергоефективності біодизеля. Причиною того, що енергоефективність перевищує 100%, є той факт, що соя, що росте, "перетворює" енергію Сонця в хімічну енергію (олію). При підвищенні енергетичного балансу врожаю, наприклад, за рахунок використання пальмової олії, відпрацьованої олії, гірчиці або водоростей, показник енергетичного балансу ще вищий (див. таблицю).

Енергетичний баланс біодизеля

Сировина Ставлення теплотворної здатності/енерговитрати Посилання
пальмова олія 9 (8.66) Azevedo
(~9) Kaltner
(9.66) Azevedo
Відпрацьована олія 5 - 6 (4.85–5.88) Elsayed et al.
Соя 3,2 (1.43–3.4) Azevedo et al.
(3.2) Sheehan et al.
Ріпак, ЕС 2,5 (1.2–1.9) Azevedo et al.
(2.16–2.41) Elsayed et al.
(2–3) Azevedo et al.
(2.5–2.9) BABFO
(1.82–3.71) Richards
(2.7) NTB
(2.99) ADEME/DIREM

Озимий ріпак

Озимий ріпак, що вирощується в Європі, - одне з найважливіших джерел сировини для одержання рослинної олії, що використовується на транспорті. Олія, що виходить з нього, можна застосовувати як в харчуванні, так і в якості палива, а відходи виробництва (фільтр - пресний осад) є цінним фуражем. Вирощувати озимий ріпак можна без використання пестицидів. Загалом, у сільському господарстві відсутність пестицидів під час сільськогосподарських робіт веде до втрати певних відсотків урожаю (в середньому 23% для зернових), проте, згідно з датським досвідом, відсутність пестицидів при вирощуванні озимого ріпаку виражається лише у 7%-й втраті врожаю. Озимий ріпак сьогодні є однією із складових частин органічного сільського господарства Данії. За останні два роки його виробництво збільшилося вчетверо.

Рослинна олія (холодний віджим)

Ще одним альтернативним паливом для дизельних двигунів є рослинна олія (чиста). Як і в попередньому випадку, можна використовувати і чисту олію, і відпрацьовану харчову. Для забезпечення надійності та тривалості експлуатації дизельного двигуна перед заправкою олією двигун необхідно попередньо трохи модернізувати. Зокрема, в автомобілях, що заправляються різними видами дизеля, встановлюється додатковий паливний бак і клапан для перемикання паливної системи автомобіля з дизеля на біодизель (чиста рослинна олія) і назад. Двигун повинен бути модифікований таким чином, щоб олія нагрівалася до температури не нижче 70°C.

Використання озимого ріпаку в датському центрі по відновлюваній енергетиці "Folkecenter"

Ріпсова олія холодного віджиму, що демонструє чітко виражені позитивні показники енергетичного та екологічного (CO2) балансу, є кращою альтернативою "викопному" дизельному паливу з точки зору як енергетики, так і екології. Застосування ріпакової олії на транспорті може повністю замінити споживання транспортного палива в агропромисловому комплексі. За оцінками експертів, за традиційного вирощування озимого ріпаку загальне споживання палива сільськогосподарським сектором Данії може бути забезпечене за рахунок посіву ріпаку на 10% сільськогосподарських земель країни. Додатково буде забезпечено 20% протеїнового фуражу для тваринницької галузі та 81% загального валового енергоспоживання у сільському господарстві.

Сільське господарство та лісова промисловість є єдиними галузями економіки, які безпосередньо залежать від енергії Сонця. Це відбувається за рахунок "виробництва" різних видів біомаси, які можуть бути використані як для їжі (безпосередньо чи опосередковано у вигляді фуражу), так і для отримання енергії. З погляду загального розуміння економічної та енергетичної збалансованості природною є участь сільськогосподарської галузі в енергозабезпеченні своєї країни.

Після проведення невеликої модернізації двигуна ріпакова олія холодного віджиму може повністю замінити дизельне паливо. Ріпакова олія є екологічно чистою, вона не пожежонебезпечна і не завдає шкоди здоров'ю людей. Віджимання масла здійснюється на досить недорогому обладнанні при низькому споживанні електроенергії. В принципі, виробництво рослинної олії з ріпаку можна легко налагодити в умовах однієї ферми, на відміну від виробництва інших видів біодизеля (процес етерифікації), коли необхідно налагодити досить дороге, досить енергоємне централізоване промислове виробництво. Отже, ріпакова олія холодного віджиму - найкраща енергетична та екологічна альтернатива "викопному" дизелю. Енергетичний та екологічний баланс (баланс викидів CO2) також є позитивним.

Енергетичний баланс

Не має значення, які показники – валові чи нетто – використовується при розрахунках. Не важливо, включені чи ні показники з ріпакової макухи. У будь-якому випадку показник енергетичного балансу є чітко позитивним.

Споживання енергії

Розрахунок валового споживання енергії виконано за методом, запропонованим Данським енергетичним агентством. З поправкою на різницю між ріпаковою олією та іншими видами біодизелю споживання енергії в процесі вирощування та переробки ріпаку становить 10,83 МДж/л ріпакової олії, що відповідає 3,922 ГДж/т ріпакового насіння або 12,2 ГДж/га. З цих 12,2 ГДж/га 7,0 ГДж/га включають місцеве енергоспоживання у вигляді 4,9 ГДж/га дизельного масла і 2,1 ГДж/га електроенергії. Споживання енергії, що виробляється за рахунок викопних енергоносіїв, може бути повністю замінено відновлюваною енергією, що виробляється за рахунок використання сільськогосподарського врожаю у вигляді ріпакової олії, та електроенергією, що виробляється за рахунок спалювання ріпакової соломи.

З площі 1 га можна зібрати врожай:

1) рапсове насіння - 3 тонни, що дозволяє отримати:

  • ріпакова олія - 1 тонна = 1086 л ріпакової олії, що відповідає 1032 л дизеля;
  • рапсова макуха / фураж - 2 тонни;

2) ріпакова солома - 3,9 тонни

Енергетична цінність урожаю:

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

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

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

Всього: 135,95 ГДж/га (100%)

Як видно, загальна теплотворна здатність урожаю ріпаку становить 135,95/12,2, тобто в 11,16 разів більше за валове споживання енергії за рахунок викопних джерел енергії. При використанні місцевих поновлюваних джерел енергії показник теплотворної здатності ріпаку навіть більший. Він у 24,85 разів вищий за валове споживання енергії викопних джерел енергії.

Енергетичний баланс, ГДж/га Малюнок 5

Величина теплотворної здатності ріпакової соломи в 4,5 разів вища за енергоспоживання. Можна також помітити, що крім використання ріпакової макухи як фураж, її можна використовувати і для отримання енергії - або на біогазовому заводі, або на когенераційній енергостанції.

Розділи модуля 6