 |
Биодизель (решение проблем экологии)
|
|
|
|
23 апреля 2009 г. опубликована Директива 2009/30/ЕС, которая в основном посвящена вопросам сокращения выбросов в атмосферу парниковых газов, и прежде всего СО2. Но поскольку двигатели внутреннего сгорания являются одним из основных источников углекислого газа, то в Директиве 2009/30/ЕС содержатся решения, вносящие существенные поправки в Директивы 98/70/ЕС и 2003/17/ЕС в части установления требований к автомобильному бензину и дизельному топливу с целью сокращения выбросов СО2. Автомобильное ЕС стремится к тому, чтобы выбросы СО2 новыми автомобилями не превышали норму в 130 г/км. В США 19 мая 2009 г. принят новый регламент, согласно которому легковые автомобили с 2012 г. обязаны потреблять не более 6,5 л бензина на 100 км, тем самым уменьшая выхлоп СО2 на 30%.
Россия, как и многие промышленно развитые страны, подписала Киотский протокол об ограничении выбросов углекислого газа в атмосферу для предотвращения парникового эффекта. Наличие богатых запасов углеводородного сырья позволяет России обеспечивать собственные потребности в энергоресурсах и определяет структуру топливно-энергетического баланса страны, в котором на долю сжигаемого топлива приходится около 90% от конечного потребления первичных энергоресурсов. В структуре потребления первичных энергоресурсов более 50% составляет природный газ, примерно по 20% - нефть и уголь, и около 10 % приходится на нетопливные ресурсы (ГЭС, АЭС, альтернативные источники энергии).
В мировом энергетическом балансе доля альтернативных источников составляет около 17% и растет быстрыми темпами. На развитие рынка альтернативных источников энергии влияет не только обеспеченность страны традиционными энергоносителями, но и их сравнительная стоимость. По мере развития уровня техники стоимость энергии из альтернативных источников постоянно уменьшается и приближается к стоимости энергии из углеродного сырья.
|
|
|
За рубежом, в связи с необходимостью резкого уменьшения вредного воздействия автотранспорта на окружающую среду, наметился ряд направлений по замене экологически опасных бензина и дизельного топлива на экологически чистое топливо, и в первую очередь - на биодизель.
Биодизель – это метиловый эфир жирных кислот, обладающий свойствами горючего материала, получаемый переэтерификацией растительных или животных жиров. Его главное достоинство - это сокращение концентрации СО2 в атмосфере: 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. При использовании биодизельного топлива на минеральной основе в атмосферу ежегодно выбрасывается огромное количество углекислого газа, получаемого из углеводородов, миллионы лет находившихся в земле в виде нефти. А повышение концентрации углекислого газа в атмосфере приводит к тому самому парниковому эффекту, бороться с которым и призван Киотский протокол. Использование же биодизеля не нарушает баланса углекислого газа в атмосфере земли.
Несколько слов о промышленных проблемах производства биодизеля.
В результате химической реакции переэтификации образуются, в первую очередь, метиловые эфиры жирных кислот, а также побочный продукт – глицерин, широко используемый в фармацевтической и лакокрасочной промышленностях. Промежуточными продуктами при этом являются моно- и диглицериды, наличие которых в биодизеле нежелательно.
Недостатком процесса получения метиловых эфиров жирных кислот является применение в качестве сырья высокотоксичного метанола, использование которого ограничено законодательством РФ.
|
|
|
Биодизельное топливо сгорает практически без образования токсических окислов серы. Полученный эфир отличается хорошей воспламеняемостью, обеспечиваемой высоким цетановым числом. Если для нефтяного дизельного топлива характерен показатель в 50-52 ед., то для метилового эфира – 56-58 ед. Это позволяет использовать его в дизельных двигателях без прочих веществ, стимулирующих воспламенение.
Помимо относительно высокого цетанового числа, биотопливо имеет и ряд других полезных свойств.
· Растительное происхождение. Биодизель не содержит бензола и ароматических углеводородов, поскольку изготавливается из масел, сырьем для которых служат растения.
· Биологическая безвредность. По сравнению с нефтяным дизельным топливо, 1 л которого способен загрязнить 1 млн л питьевой воды и привести к гибели водной флоры и фауны, биодизель попадая 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 озёр при переводе водного транспорта на альтернативное топливо.
· Хорошие смазывающие свойства. Известно, что минеральное дизтопливо при устранении из него сернистых соединений теряет свои смазывающие способности. Биодизель же, несмотря на почти полное отсутствие серы, характеризуется хорошими смазывающими свойствами.
· Высокая температура воспламенения. Для биодизеля её значение превышает 100 0С, что позволяет назвать его относительно безопасным веществом.
Анализ экологических показателей двигателей свидетельствует о снижении токсичных выбросов при работе на биотопливе. Содержание окиси углерода СО (угарный газ) при любой нагрузке и выбросы углеводородов СН сокращаются в два раза, количество твердых частиц (дымность) в режиме максимальной нагрузки снижается в два раза, а в режиме малой нагрузки дымность практически отсутствует. Исследования по замене дизельного топлива биодизельной смесью (при соотношении в ней 1:1) показали существенное улучшение экологических характеристик двигателя. Выбросы оксидов азота при нормальном режиме работы двигателя сократились на 15 – 20%, сажи – на 30 – 35%, оксидов углерода и углеводородов – на 10 – 15%.
|
|
|
Сырьевая база для производства эфиров жирных кислот отличается большим разнообразием. Более 150 видов растений по всему миру, способных вырабатывать масла, - это шанс, позволяющий регионам самостоятельно на местном уровне решать свои региональные энергетические проблемы. К числу масляных растений относятся: земляные орехи, соя, рапс, лен, горчица, подсолнечник, рицина, хлопок, фундук, оливы, бук, пальмы.
По элементному составу растительные масла близки друг другу, а от нефтяного топлива отличаются присутствием кислорода (9,6 – 11,5%). Их главные недостатки как топлива (по сравнению с нефтепродуктами) - меньшая теплота сгорания (на 7 – 10%), более высокая вязкость (в 6 раз и более), повышенная склонность к нагарообразованию, низкая испаряемость и др. Поэтому большинство современных дизельных двигателей могут работать на чистых растительных маслах весьма непродолжительное время.
Показателен пример рапса – технической масличной культуры, урожайность которой составляет 24 – 26 центнеров с гектара. Из тонны рапса можно получить порядка 270 кг биодизельного топлива. Метиловый эфир рапсового масла по всей физико-химической характеристике близок к дизельному топливу: при его использовании не требуется подогрев топлива, в меньшей степени образуются отложения на деталях цилиндро-поршевой группы.
По химическому составу рапсовое масло представляет сбой смесь триглицеридов различной молекулярной массы. Но в целом оно имеет более высокую молекулярную массу и более длинную, по сравнению с углеводородами дизельного топлива, углеродную цепь. Помимо этого, при переработке рапса, кроме самого масла, получается ещё и рапсовый шрот – ценный белковый корм для птицеводства и животноводства.
Биодизель может смешиваться с дизельным топливом. При малых долях биотоплива в смеси возможно использование этих биотоплив без каких-либо переделок в двигателях. Другие виды биотоплива, такие, как чистое растительное масло, биометанол, биогаз, биодиметилэфир и биоводород, требуют при своем использовании существенного изменения как инфраструктуры снабжения, так и модификации двигателей.
|
|
|
Европейский опыт показывает, что к такому топливу предъявляется ряд специфических требований, изложенных в европейском стандарте EN 14214:2003 «Automotive fuels. Fatty acid methyl esters (FAME) for diesel engines. Requirements and test methods» (EN 14214:2003 «Топлива для двигателей внутреннего сгорания. Метиловые эфиры жирных кислот (FAME) для дизельных двигателей. Требования и методы испытаний»).
В России разработан и введен в действие ГОСТ Р 52368 – 2005 «Топливо дизельное ЕВРО. Технические условия», допускающий содержание биологических добавок до 5 % от объема топлива. Однако указанный стандарт не решает всех вопросов о нормативно-правовом обеспечении использования метиловых эфирных жирных кислот – основного компонента биотоплива для двигателей внутреннего сгорания, в частности для дизельных двигателей.
Это связано с тем, что, несмотря на кажущуюся простоту реакции переэтерификации растительных масел, технологический процесс получения метиловых эфиров протекает с образованием ряда промежуточных и побочных продуктов, весьма нежелательных в дизельном топливе. К таким соединениям относятся эфиры линоленовой кислоты, которые в силу наличия в молекуле трех двойных связей склонны к полимеризации с образованием высокомолекулярных соединений. Ограничивается также содержание моно-, ди- и триглицеридов и свободного глицерина; строго нормируется содержание калия, натрия, фосфора и свободного метанола. Соединения калия и натрия используются в качестве катализаторов переэтерификации. Но, если их не удалить после завершения процесса, они могут вызвать расщепление метиловых эфиров с образованием свободных жирных кислот - сильных коррозионных агентов. Фосфор, содержащийся в маслах в виде фосфолипидов, может отравлять нейтрализаторы выхлопных газов автомобилей, а метанол сам по себе является сильным ядом.
Поэтому необходимо стандартизировать в России ряд специфических методов испытаний, применимых только для топлив этого вида. В настоящее время действуют следующие стандарты:
· EN 14103:2003 «Производные жиров и масел. Метиловые эфиры жирных кислот (FAME). Определение содержания эфиров и метилового эфира линоленовой кислоты»;
· EN 14104:2003 «Производные жиров и масел. Метиловые эфиры жирных кислот (FAME). Определение кислотного числа»;
· EN 14105:2003 «Производные жиров и масел. Метиловые эфиры жирных кислот (FAME). Определение содержания свободного и общего глицерина, а также содержания моно-, ди- и триглицеридов (основной метод)»;
|
|
|
· EN 14106:2003 «Производные жиров и масел. Метиловые эфиры жирных кислот (FAME). Определение содержания свободного глицерина»;
· EN 14107:2003 «Производные жиров и масел. Метиловые эфиры жирных кислот (FAME). Определение содержания фосфора методом эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой»;
· EN 14108:2003 «Производные жиров и масел. Метиловые эфиры жирных кислот (FAME). Определение содержания натрия методом атомно-абсорбционной спектрометрии»;
· EN 14109:2003 «Производные жиров и масел. Метиловые эфиры жирных кислот (FAME). Определение содержания калия методом атомно-абсорбционной спектрометрии»;
· EN 14110:2003 «Производные жиров и масел. Метиловые эфиры жирных кислот (FAME). Определение содержания метанола»;
· EN 14111:2003 «Производные жиров и масел. Метиловые эфиры жирных кислот (FAME). Определение содержания йодного числа»;
· EN 14112:2003 «Производные жиров и масел. Метиловые эфиры жирных кислот (FAME). Определение стойкости к окислению (экспресс-метод испытания на окисление)».
Для решения этой задачи ТК 31 «Нефтяные топлива и смазочные материалы» уже разработаны и представлены на утверждение в Ростехрегулирование проекты следующих нормативных документов:
· ГОСТ Р ЕН 14214 «Топливо для двигателей внутреннего сгорания. Метиловые эфиры жирных кислот (FAME) для дизельных двигателей. Общие технические требования». Проект стандарта распространяется на метиловые эфиры жирных кислот, при меняемых в качестве биотоплива в чистом виде или в качестве компонента дизельного топлива, соответствующих требованиям ГОСТ Р 52368-2005 «Топливо дизельное ЕВРО. Технические условия», гармонизированного с EN 590:2004. В проекте стандарта сделана оговорка о том, что топлива, приготовленные только на основе метиловых эфиров жирных кислот, предназначены для транспортных средств с дизельными двигателями, сконструированными или переоборудованными для работы на данном виде топлива.
· ГОСТ Р ЕН 14103 «Производные жиров и масел. Метиловые эфиры жирных кислот (FAME). Определение содержания эфиров и метилового эфира линоленовой кислоты».
· ГОСТ Р ЕН 14105 «Производные жиров и масел. Метиловые эфиры жирных кислот (FAME). Определение содержания свободного и общего глицерина, а также содержания моно-, ди- и триглицеридов (метод сравнения)».
· ГОСТ Р ЕН 14109 «Производные жиров и масел. Метиловые эфиры жирных кислот (FAME). Определение содержания калия методом атомно-абсорбционной спектрометрии».
При поддержке со стороны Ростехрегулирования ТК 31 «Нефтяные топлива и смазочные материалы считает целесообразным продолжить работу по остальным стандартам EN.
|
|
|
