ЖИДКОЕ БИОТОПЛИВО ИЗ РАСТИТЕЛЬНОГО И ЖИВОТНОГО СЫРЬЯ. ТЕХНИЧЕСКИЕ И ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ

Возрастающее загрязнение окружающей среды, ухудшение экологической обстановки из-за повышенного потребления энергии из минерального сырья вместе с быстрым истощением ископаемых ресурсов и высокие цены на них привели ученых к поиску альтернативных видов топлива, получаемых из возобновляемых источников. Наиболее приоритетными видами жидкого технического жира для биотоплива являются биодизель и биоэтанол. Биодизель представляет собой смесь моноалкиловых эфиров природных жирных кислот, обладающих свойствами горючего материала и получаемых в результате алкоголиза жиров животного или растительного происхождения, которые в огромном количестве скапливаются на предприятиях мясной или маслоперерабатывающей промышленности. Биоэтанол — этанол, который представляет собой обезвоженный этиловый спирт максимальной крепости (99,5°). Биоэтанол получают переработкой любого растительного сырья с высоким содержанием крахмала или целлюлозы. Один из наиболее распространенных способов производства -брожение. Топливный этанол не предназначен для пищевых целей, так как он не только хуже очищен от альдегидов и сивушных масел, но вдобавок денатурирован бензином.

Биоэтанол как энергоноситель ничем не отличается от гидролизного или синтетического этанола, но его производители и потребители, например в странах Евросоюза, имеют большие преференции. Это объясняется стремлением не только решить проблему расширения топливной базы, но и стимулировать собственного сельскохозяйственного производителя.

По свойствам биоэтанол заметно отличается от бензина: он обладает высоким октановым числом (104-108 условных

aivankin@mgul.ac.ru; aivankin@inbox.ru

единиц), но меньшей теплотой сгорания (23,5 МДж/кг, у бензина — 44 МДж/кг). В качестве автомобильного топлива биоэтанол применяется как в чистом виде, так и в смеси с бензином. В зависимости от содержания спирта топливные смеси обозначаются Е5, Е10, Е85 и т.д. (где Е — от англ. ethanol, а цифры указывают объемную долю спирта в процентах). Агрессивность к резинотехническим деталям и гигроскопичность (ею особенно характеризуются смеси с низким содержанием спирта) ограничивают применение биобензинов в стандартном двигателе внутреннего сгорания.

Важнейшее достоинство биотоплива — замена продуктов нефтепереработки на природное возобновляемое сырье. Поэтому наибольшее внимание этой проблеме уделяется в странах, бедных нефтью, но располагающих богатыми растительными ресурсами.

Несмотря на то, что в России биотопливо практически не используется, возможность организации его производства с целью применения на транспорте или для экспорта рассматривается в нашей стране на разных уровнях.

Биодизельное топливо обладает рядом несомненных преимуществ:

— высокое цетановое число 56-58 %, против 50-52 % у минерального дизтоплива;

— использование возобновляемого сырья;

— хорошие смазочные характеристики, что увеличивает срок службы двигателя. При работе двигателя на биодизеле одновременно производится смазка его подвижных частей, в результате которой достигается увеличение срока службы самого двигателя и топливного насоса в среднем на 60 %;

— при сгорании биодизеля выделяется ровно такое же количество углекислого газа,

74

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2010

БИОЭНЕРГЕТИКА И БИОТЕХНОЛОГИИ

которое было потреблено из атмосферы растением, являющимся исходным сырьем для производства масла, за весь период его жизни. Цикл получается замкнутым;

— высокая температура воспламенения. Точка воспламенения для биодизеля превышает 150 °С, что делает биогорючее сравнительно безопасным веществом;

— побочный продукт производства глицерин является дополнительным полезным продуктом, находящим широкое применение в промышленности;

— по сравнению с минеральным аналогом почти не содержит серы (< 0,001 %, минеральный — < 0,2 %) [1].

Биоэтанол как топливо нейтрален в качестве источника парниковых газов. Он обладает нулевым балансом диоксида углерода, поскольку при его производстве путем брожения и последующем сгорании выделяется столько же CO2, сколько до этого было связано из атмосферы использованными для его производства растениями. Содержащийся в этаноле кислород позволяет более полно сжигать углеводороды топлива. 10 %-ное содержание этанола в бензине позволяет сократить выхлопы аэрозольных частиц до 50 %, выбросы СО — на 30 %. В 2006 г. применение этанола в США позволило сократить выбросы около 8 млн тонн парниковых газов (в СО2 эквиваленте), что примерно равно годовым выхлопам 1,2 млн автомобилей.

Наиболее распространенным биотопливом сегодня является так называемый рапсметиловый эфир (РМЭ), который в заметном количестве используется в Швеции, Германии, Франции и других странах Европы. Его можно добавлять к дизельному топливу в концентрации до 30 % без дополнительной регулировки двигателя. В западноевропейских странах принято решение об обязательной добавке 5 % РМЭ в дизельное топливо, но кое-где (например в Швеции) его используют непосредственно. Испытания РМЭ и его добавок к дизельному топливу в США и Европе показали, что при его использовании снижается эмиссия углеводородов и оксида углерода, а интенсивность образования оксидов азота остается без изменения. Было отмечено некоторое увеличение выбросов озо-

нообразующих компонентов (ароматических углеводородов, олефинов и альдегидов). Поэтому двигатели, работающие на биотопливе, должны быть оборудованы каталитическими нейтрализаторами. Наблюдается также увеличение образования твердых частиц, но при этом их характер иной, чем при работе на дизельном топливе. Собственно сажи содержат немного твердых углеродных частиц, их основная часть состоит из растворимых органических соединений, представляющих собой главным образом несгоревшие частицы биотоплива. Исследование мутагенной активности твердых частиц показало, что она ниже, чем у твердых частиц, образующихся при сгорании дизельного топлива.

Примечательно, что в присутствии моноалкиловых эфиров растительных кислот улучшаются свойства малосернистых экологически чистых дизельных топлив. Это очень важное обстоятельство, поскольку снижение содержания серы в топливе в общем случае приводит к потере его смазывающих свойств.

Недостатки и достоинства биодизельных топлив обобщены в табл. 1.

Можно выделить следующие преимущества биоэтанола перед нефтью:

— является экологически чистым продуктом, не загрязняет окружающую среду, а также при его сгорании отсутствует нагревание атмосферы (т.е. исключается возникновение парникового эффекта);

— нефть — исчерпаемый, а биоэтанол

— возобновляемый ресурс;

— производство биоэтанола — безотходное;

— растительным топливом можно замещать экологически вредные добавки в бензин, при этом добавление одной части этанола в бензин ведет к экономии трех частей нефти.

Существует несколько недостатков биоэтанола:

— спирт расслаивается при низких температурах (что не вполне подходит для нашего северного климата);

— технические недостатки биоэтанола

— в 1 литре содержится на треть меньше энергии, чем в 1 литре бензина.

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2010

75

БИОЭНЕРГЕТИКА И БИОТЕХНОЛОГИИ

Таблица 1

Преимущество биодизельного топлива

Достоинства Недостатки

Расширение топливных ресурсов Пониженная теплотворная способность

Использование возобновляемого сырья Высокая температура застывания

Хорошие смазочные свойства Повышенная вязкость

Хорошие моющие свойства Нетоксичность Высокие моющие свойства, вызывающие «проблему чистых резервуаров»

Высокая температура вспышки Сравнительно высокая стоимость

Эффект экономического мультипликатора: развитие сельскохозяйственной и смежных отраслей

— повышенные выбросы альдегидов и испарение углеводородных соединений. Содержание альдегидов растет с увеличением концентрации спиртов в топливной смеси. Для метанола характерны выбросы формальдегида, в то время как при сгорании этанола образуется преимущественно ацетальдегид.

Производство и потребление биодизеля в Европе и США имеет правительственную поддержку через ряд принятых стратегических решений. Система регулирования производства биотоплива развивалась в течение последних лет. В 2003 г. была принята директива, устанавливающая цели замещения жидкого топлива биотопливом — 2 % к 2005 г. и 5,75 % к 2010 г. Другой документ создает основу налогообложения на биотопливо: оно должно полностью или частично освобождаться от налогов в целях обеспечения его конкурентоспособной цены.

Мировое производство биоэтанола в 2005 г. составило 36,3 млрд литров, из которых 45 % пришлось на Бразилию и 44,7 % — на США. Этанол в Бразилии производится преимущественно из сахарного тростника, а в США из кукурузы, в нашей стране осуществлялся выпуск гидролизного спирта из отходов древесины. Производство этанола из тростника на сегодняшний день экономически более выгодно, чем из кукурузы и тем более из древесного сырья, хотя индустрия биотоплива существует во многом благодаря государственным субсидиям. США в 2005 г. приняли план, предусматривающий к 2025 г. замену 75 % импорта нефти биотопливом и увеличение производства биоэтанола в 10 раз.