В мире около 85 % спирта применяется в технических целях, в том числе 80 % в качестве биотоплива, которое по своим свойствам практически не уступает бензину (табл. 27). При этом мировой рынок топливного биоэтанола ежегодно вырастает на 20…25 % и, по прогнозам экспертов, производство и потребление этанола к 2020 году достигнет на планете 120 млрд литров в год.
Табл. 28. Параметры биоэтанола в сравнении с бензином
Биоэтанол в большинстве случаев является своего рода присадкой к бензину. При этом смеси этанола и бензина маркируются букой Е (ethanol) и числом, указывающим на его долю в топливе. Наиболее распространены марки Е5, Е7 и Е10. Для использования таких марок топлива внесение изменений в конструкцию бензинного двигателя не требуется, а вот марки Е85, Е95 и Е96 с содержанием этанола соответственно 85, 95 и 96 % — требуют специальной модификации системы питания и зажигания автомобиля. Применение этанола позволяет не только уменьшить нефтяную зависимость государства и выбросы углекислого газа с выхлопом, но и повысить детонационную стойкость (октановое число) применяемого бензина, а также снизить содержание токсичных ароматических углеводородов (табл. 28).
Табл. 29. Физико-химические свойства автомобильного бензина с добавкой биоэтанола
В настоящее время в Российской Федерации действует следующая нормативно — техническая документация на автомобильные бензины с добавками этанола:
1. Технические условия ТУ 38.401–58–244—99 «Бензины автомобильные неэтилированные, содержащие этанол». Разрешение на производство таких бензинов выдано ОАО «Лукойл — Волгограднефтепереработка», ОАО «Новокуйбышевский НПЗ» и некоторым другим нефтебазам;
2. Государственный стандарт ГОСТ Р 51866—2002 (аналог европейской нормали ЕН-228), предусматривающий возможность применения до 5 % этанола;
3. Государственный стандарт ГОСТ Р 52201—2004 «Этанольное моторное топливо для автомобильных двигателей с принудительным зажиганием «Бензанолы». Общие технические требования»». Данное топливо разработано совместно с ЗАО НПО «Химсинтез» и является отечественным аналогом топлива «Газохол», на которое приходится около трети общего объема применяемого в США автомобильного бензина. Бензанол представляет собой смесь нефтяных углеводородов и денатурированного этилового спирта (от 5 до 10 % объём.), а также других присадок, обеспечивающих антидетонационные, антикоррозионные, антиокислительные и другие нормативные характеристики моторного топлива;
4. Стандарт СТО 11605031–007—2006 с требованиями к денатурированному топливному биоэтанолу. С целью возможного экспорта характеристики к качеству биоэтанола в нем полностью соответствуют западному стандарту (АSТМ Д 4806).
Применение этанола в составе автомобильных бензинов влечет за собой ряд трудностей при организации производства, хранении, транспортировке и использовании бензиноэтанольных видов топлива. Это связано с фазовой нестабильностью (расслаиванием при хранении) бензина с добавкой этанола, коррозионной активностью по отношению к металлическим материалам и старением резинотехнических изделий, как в топливных системах автомобиля, так и на автозаправочных станциях, а также склонностью такого топлива к накоплению отложений на впускных клапанах и образованию нагара в камере сгорания (табл. 29).
Табл. 30. Образование отложений в двигателе при применении биоэтанола
Для производства биодизеля используют различные жиры растительного или животного происхождения. Для того чтобы превратиться в биодизель, они подвергаются процессу этерификации, в ходе которого превращаются в эфиры жирных кислот. Смесь этих эфиров и называют биодизелем. Сопутствующим продуктом является глицерин (см. рис. 36). При этом в качестве добавки к такому топливу может применяться и чистое дизельное топливо, в концентрации не более 20 %. Физико — химические свойства различных смесей дизельного топлива (ДТ), чистого рапсового масла (РП) и его метилового (МЭРМ) и этилового эфиров (ЭЭРМ) представлены в табл. 30.
Табл. 31. Физико-химические свойства топлива для дизельного двигателя
Наиболее распространенным сырьем для производства биодизеля служат различные сельскохозяйственные масличные культуры: рапс, соя, подсолнечник, ятрофа, кокос и др. Из них наибольшее распространение получил рапс — неприхотливое растение семейства крестоцветных, которое хорошо произрастает в умеренном климате, имея продуктивность 1,2 тыс. л масла с одного гектара. Для сравнения, с одного гектара подсолнечника можно получить около 0,95 тыс. литров масла. Эффективность переработки кокоса и ятрофы значительно выше, но их производство ограничено странами с тропическим климатическим поясом. При этом следует отметить следующее:
— применение чистого рапсового масла и его метилового эфира (МЭРП) в качестве добавки к дизтопливу в концентрации до 20 % не требует дополнительной регулировки дизеля и не приведет к ухудшению его мощности и экономичности;
— использование 20 % рапсового масла в дизтопливе позволяет снизить дымность выхлопа до 40 %, выбросы углеводородов на 25…36 %, а оксида азота до 3,8…10 %.
Биодизель — биотопливо на основе растительных или животных жиров (масел), а также продуктов их этерификации. Применяется на автотранспорте в чистом виде и в виде различных смесей с дизельным топливом.
Однако в последнее время наиболее перспективным объектом для производства биодизеля становятся водоросли. Продуктивность водорослей может достигать фантастических объёмов — 95 тыс. л масла с 1 га водной поверхности, вследствие чего в США, Канаде, ЮАР, Новой Зеландии и Испании начато строительство заводов по производству биодизеля из водорослей.
Применение в качестве биодизеля чистого растительного масла, как и его кустарное производство, практически невозможно, так как требуется строгое соблюдение промышленной технологии (рис. 38).
Рис. 38. Схема получения биодизеля из рапса: 1–6 — виды топлива с разным содержанием биодизеля в качестве добавки
Во — первых, для этерификации используется очень ядовитый и опасный метиловый спирт. Во — вторых, необходима очистка получаемого промежуточного продукта от образующихся жирных кислот, приводящих к омылению и последующему засорению топливных фильтров, а также образованию нагара в цилиндрах дизельного двигателя. В — третьих, требуется удаление остатков влаги, которая может привести не только к повышению водородного изнашивания и коррозии деталей двигателя, но и к интенсивному размножению микроорганизмов и резкому снижению качества биодизеля.
Несмотря на то, что биодизель можно применять и в чистом виде, чаще всего он является своего рода присадкой к классической нефтяной солярке. Так, в США (штат Миннесота) принят закон, обязывающий применять во всем дизельном топливе 2 % биодизеля. В Канаде к 2012 году также планируется введение 2 % биодизеля в состав всего автомобильного и печного топлива, а в Японии с марта 2007 года разрешено 5 %-ное содержание биодизеля в дизельном автомобильном топливе. Более того, в Южной Корее уже в 2006 году доля биодизеля от общего потребления дизельного топлива составляет 0,5 % и в последующие годы неуклонно растет.
В Европейском союзе в 2010 году доля биотоплива (этанола и биодизеля) должна составлять не менее 5,75 %, при этом в Германии уже с 1 января 2007 года его доля составляет 5 %, во Франции на текущий год запланировано 7 %, а в Португалии — 10 %.
Соответствующие программы по производству биотоплива приняты также в Австралии, Бразилии, Китае, Тайване, Индии, Индонезии и других странах.
Биодизель может применяться в качестве смазывающей присадки в объеме 1…2 % к нефтяному дизельному топливу с крайне низким содержанием серы. Смесь биодизеля и дизельного топлива маркируется буквой «В», например, смесь из 20 % биодизеля и 80 % дизтоплива имеет марку В20, служит обычной заменой дизтопливу и является самой распространенной биодизельной смесью в США. При соответствующей подготовке топливной системы дизеля, например установке специальных подогревателей, а также замене уплотнительных материалов и прокладок, контактирующих с топливом, можно использовать в двигателе и чистый биодизель (В100).
Установлено, что биодизель марки В20 ухудшает показатели выброса в пять раз по сравнению с В100, а 2 %-ная смесь биодизеля с соляркой может использоваться как обыкновенная топливная присадка, но, естественно, она меньше всего улучшает показания выхлопа.
Использование биотоплива В100 из бобов сои в двигателях городских автобусов позволило снизить выброс углекислого газа почти на 79 %, но с учетом выбросов, получаемых при производстве биодизеля, этот эффект нивелируется.
