РОЗДІЛ 26. Біодизельне паливо

При роботі дизельних двигунів на біодизелі значно зменшуються небезпечні для навколишнього середовища викиди продуктів згоряння: сірки - на 98%, сажі - на 50-61%, вуглекислих продуктів згорання - на 30-40%.

Володіючи майже однаковим з мінеральним дизпаливом енергетичним потенціалом (табл.26.1), біодизельне паливо має ряд істотних переваг:

- воно не токсичне, майже не містить сірки та канцерогенного бензолу;

- розкладається в природних умовах (приблизно так як і цукор);

- забезпечує значне зниження шкідливих викидів в атмосферу при спалюванні;

- збільшує цетанове число палива та його змащувальну здатність, що істотно збільшує ресурс двигуна;

- має високу температуру займання (більше 100°С), що робить його використання відносне безпечним;

- його джерелом є поновлюванні ресурси.

При роботі дизельних двигунів на біодизелі значно зменшуються небезпечні для навколишнього середовища викиди продуктів згоряння: сірки - на 98%, сажі - на 50-61%, вуглекислих продуктів згорання - на 30-40%.

26.2. Стан виробництва біодизельного палива.

В Європі технологія виробництва біодизеля з рослинної олії розроблена компанією RMEnergy, яка отримала в 2001 році патент за номером DE 101 35 297 А1. У вересні 2004 року на основі договору між компаніями RMEnergy і IBG Monforts Oekotec GmbH & Co.KG виробництво RMEnergy установок було передано фірмі IBG Monforts Oekotec GmbH & Co.KG. В Україні, Росії та Білорусії торговим представником фірми IBG Monforts Oekotec GmbH & Co.KG є фірма "Anatoli Juschin CDH" - збут і експорт обладнання для виробництва біодизеля. Крім представництв європейських компаній на Україні виробництвом обладнання для одержання біодизеля займаються компанії "Біодиззель - Запоріжжя”, "Біодизель-Дніпро" та ін. Основне обладнання для виробництва біодизеля купується або виробляється за ліцензією західноєвропейських компаній [19,20,23]. Промислові технології виробництва біодизелю за традиційною схемою на основі реакції етерифікації розроблені в Білорусії науково - виробничим підприємством "Унихимпром" ГУ при Білоруському державному університеті. Японськими вченими розроблена технологія одержання біодизеля без каталізатора (Dacian Kusdiana and Shiro Sae st World Conference on Biomass for Energy and Industry). 3a пропонованою технологією метанол переводять в так званий "надкритичний стан" при температурі до 400 град. С і тиску понад 8 МПа. В цьому випадку швидкість реакції етерифікації збільшується у декілька десятків разів і спостерігається більш повний вихід продукту. У США обладнання для виробництва біодизеля випускають, в основному, великі компанії, що входять у Національну асоціацію виробників і споживачів біодизеля і обладнання для його виробництва (National Bntesel Board). Асоціація сприяє просуванню біодизеля на ринок палива, пропагандує його виробництво і використання. Виробництво біодизеля здійснюється за традиційною технологією, так як існує жорстка регламентація технологічного процессу, та фізико - механічних властивостей продукту. Таким чином можна зробити висновок, що в даний час у світі використовують традиційні підходи одержання біодизеля методом реакції етерифікації з рослинних олій [19, 20, 23]. Використання біодизелю в якості моторного палива здійснюється шляхом додавання його в мінеральне дизельне паливо або безпосереднього використання біодизелю без змішування його з дизельним паливом, але в цьому випадку необхідно конструктивну зміну системи паливоподачі, уприскування і спалювання палива в двигунах. Передбачено обробку рослинної олії багатофакторним імпульсним енергетичним впливом з метою зміни його хімічних властивостей і наближення його параметрів до параметрів дизельного палива. У цьому випадку можливе використання обробленої рослинної олії в суміші з дизельним паливом або безпосередньо в якості дизельного палива. Використання багатофакгорної імпульсної енергетичної обробки при проведення реакції етерифікації дозволить знизити час та температуру проведення реакції. Для виробництва біодизеля використовують різні жири рослинного або тваринного походження. Для того, щоб перетвориться в біодизель, вони піддаються процесу етерифікації, в ході якого перетворюються на ефіри жирних кислот. Суміш цих ефірів і називають біодизелем. Супутнім продуктом є гліцерин (Рис. 26.2). При цьому в якості добавки до такого палива може застосовуватися і чисте дизельне паливо, в концентрації не більше 20 %. Фізико-хімічних властивостей різних сумішей дизельного палива (ДГ), чистої рапсової олії (РП) і його метилового (МЕРМ) і етилового ефірів (БЕРМ) представлені в таблиці 26.2. Найбільш поширеною сировиною для виробництва біодизеля служать різні сільськогосподарські олійні культури: рапс, соя, соняшник, ятрофа, кокос та ін. З них найбільше розповсюдження отримав рапс - невибаглива рослина сімейства хрестоцвітих, яке добре росте в помірному кліматі, маючи продуктивність 1,2 тис. л олії з одного гектара. Для порівняння, з одного гектара соняшнику можна отримати близько 0,95 тис. літрів олії. Ефективність переробки кокоса і ятрофи значно вища, але їх виробництво обмежене країнами з тропічним кліматичним поясом. При цьому слід зазначити наступне: • застосування чистої рапсової олії і його метилового ефіру (МЕРП) в якості добавки до дизпалива в концентрації до 20% не вимагає додаткового регулювання дизеля і не приведе до погіршення його потужності і економічності; використання 20 % рапсової олії в дизпаливі дозволяє понизити димність вихлопу до 40 %, викиди вуглеводнів на 26...36 %, а оксиду азоту до 3,8...10 %.

Біодизель - біопаливо на основі рослинних або тваринних жирів (олій), а також продуктів юс етерифікації. Застосовується на автотранспорті в чистому вигляді і у вигляді різнорідних сумішей з дизельним паливом. Проте останнім часом найбільш перспективним об'єктом для виробництва біодизеля стають водорості. Продуктивність водоростлів може досягати фантастичних об'ємів - 95 тис. л олії з 1 га водної поверхні, внаслідок чого в США, Канаді, ЮАР, Новій Зеландії і Іспанії почато будівництво заводів по виробництву біодизеля з водорослей. Застосування в якості біодизеля чистої рослинної олії, як і його кустарне виробництво, практично неможливе, оскільки потрібно суворе дотримання промислової технології (Рис. 26.2), По-перше, для етерифікації використовується дуже отруйний і небезпечний метиловий спирт. По-друге, потрібне очищення отримуємого проміжного продукту від жирних кислот, що утворюються, призводять до обмилення і наступного засмічення паливних фільтрів, а також утворення нагару в циліндрах дизельного двигуна. По-третє, потрібно видалення залишків вологи, яка може привести не лише до підвищення водневого зношування і корозії деталей двигуна, але і до інтенсивного розмноження микроорганізмів і різкому зниженню якості біодизеля [19,26,28,29]. Не дивлячись на те, що біодизель можна застосовувати і в чистому вигляді, найчастіше він є свого роду присадкою до класичної нафтової солярки. Так, в США (штат Міннесота) ухвалений закон, зобов'язуючий застосовувати в усьому дизельному паливі 2 % біодизеля. У Канаді до 2015 року також планується введення 2 % біодизелі до складу усього автомобільного і пічного палива, а в Японії з березня 2007 року дозволено 5%-вий вміст біодизеля в дизельному автомобільному паливі. Більше того, в Південній Кореї вже в 2006 році доля біодизеля від загального споживання дизельного палива складає 0,5 % і в наступні роки неухильно росте. У Європейському союзі в 2015 році доля біопалива (етанолу і біодизеля) повинна складати не менше 5,75 %, при цьому в Німеччині вже з 1 січня 2007 року його доля складає 5 %, у Франції на поточний рік заплановане 7 %, а в Португалії - 10 %. Відповідні програми по виробництву біопалива прийняті також в Австралії, Бразилії, Китаї, Тайвані, Індії, Индонезії та в інших країнах [20,23]. Біодизель може застосовуватися в якості змащуючої присадки в об'ємі 1...2 % до нафтового дизельного палива з украй низьким вмістом сірки. Суміш біодизеля і дизельного палива маркируется буквою "В", наприклад, суміш з 20 % біодизеля і 80 % дизпалива має марку В20, служить звичайною заміною дизпаливу і є найпоширенішою біодизельною сумішшю в США.

Таблиця 26.2.

Фізико-хімічні властивості палива для дизельного двигуна

При відповідній підготовці паливної системи дизеля, наприклад установці спеціальних підігрівачів, а також заміні матеріалів ущільнювачів і прокладень, що контактують з паливом, можна використовувати в двигуні і чистий біодизель (В 100). Встановлено, що біодизель марки В20 погіршує показники викідів в п'ять разів в порівнянні з В100, а 2%-ва суміш біодизеля з соляркою може використовуватися як звичайна паливна присадка, але, природно, вона менше всього покращує свідчення вихлопу. Використання біопалива В100 з бобів сої в двигунах міських автобусів дозволило понизити викид вуглекислого газу майже на 79 %, але з урахуванням викидів, що отримуються при виробництві біодизеля, цей ефект нівелюється. При цьому все ж не порушується "парниковий" баланс, оскільки в атмосферу викидається той вуглекислий газ, який був узятий з повітря в найближчому минулому, а не закумульований в нафтопродуктах декілька мільйонів років назад.

У Росії, незважаючи на достатні запаси традиційних видів палива, почато будівництво заводів по виробництву біоетанолу в Омській області і по переробці рапсу в Татарстані. На підставі вищесказаного, усе більш актуальною проблемою стає захист довкілля. У багатьох країнах світу ведуться дослідження і розробка альтернативних мастильних матеріалов і палива. Дуже обнадіюють останні розробки вітчизняних і японських учених по використанню в якості універсального мастильного матеріалу і палива води, водно-олійнових емульсій і водню.

Маючи високу змащуючу здатність, найвищою теплоємністью (рівній одиниці), доступністю, низькою вартістю і, що саме головне, високою екологічністю, вода в осяжному майбутньому може повністю замінити нафтові мастильні матеріали. Обсяги виробництва біодизелю у світі стрімко зростають. Загалом дизельне пальне, виготовлене з нафти, дешевше ніж біодизель, проте різниця в ціні змінюється через неоднорідний рівень врожайності, рівень ефективності використання соломи і вижимків, вартість хімічних інгредієнтів (метанолу і каталізатору), глибини переробки гліцеринової води, а також внаслідок постійного зростання цін на нафту та завдяки урядовим субсидіям для виробників біодизелю. Зазвичай, ціна на біодизель нижча, ніж на нафтове дизельне паливо, але через заборону створення демпінгових умов, ціна буде незначно нижча від ціни на звичайний дизель.

Рис. 26.2. Схема отримання біодизеля з рапсу: 1-6 - види палива з різним змістом біодизеля в якості добавки.

За прогнозами Продовольчої сільськогосподарської Організації Об'єднаних Націй виробництво біодизелю у світі до 2017 року досягне 24 мільярдів літрів. Прогнозується, що більша частина обсягів продукції буде надходити з Індонезії та Малайзії, а головним одержувачем буде Європейський Союз. Саме країни ЄС у 2017 році будуть споживати більше половини сапового виробництва біодизелю [19,31,33].

Станом на 2010 рік для сільськогосподарських робіт в Україні необхідно було мати 1,9 млн тон дизельного палива і 620 тис. тон бензину, котрі виробляються з 4,5 млн тонн нафти, переважно імпортної [20,21,23].