БИОДИЗЕЛЬ - АЛЬТЕРНАТИВНОЕ ТОПЛИВО ДЛЯ ДИЗЕЛЕЙ
Получение. Характеристики. Применение. Стоимость

ФГУП "НИИ двигателей":
Татьяна Николаевна Смирнова, начальник отдела, к.т.н.
Виктор Михайлович Подгаецкий, начальник отдела, к.т.н.

Биодизель - это экологически чистое топливо для дизельных двигателей, получаемое путем химической обработки растительного масла или животных жиров, которое может служить добавкой к дизельному топливу или полностью заменять его.

В настоящее время ряд стран (Австрия, Канада, Дания, Европейский союз, Финляндия, Ирландия, Нидерланды, Швеция, США и Великобритания) ведут совместные работы по созданию биологического топлива для транспортных двигателей. Биодизель считается одним из наиболее перспективных возобновляемых альтернативных топлив.

История вопроса.

В 1878 г. Рудольф Дизель ознакомился с работой Карно, который теоретически доказал, что может быть создан тепловой двигатель с к.п.д. значительно более высоким, чем у паровой машины того времени. Эффективность цикла Карно увеличивается с ростом степени сжатия газа. Дизель применил теорию Карно к двигателю внутреннего сгорания. Он хотел создать двигатель с максимально высокой степенью сжатия. Для этого топливо в рабочий цилиндр вводится только в определенный момент и воспламеняется от тепла предварительно сжатого воздуха. Двигатель Дизеля, получивший его имя - "дизель", имеет к.п.д. более высокий, чем бензиновый двигатель с принудительным зажиганием, и существенно более высокий, чем паровой двигатель. Дизель получил патент на свое изобретение в 1893 г. и продемонстрировал работающий двигатель в 1897 г. На Всемирной выставке в 1900 г. был показан его двигатель, работавший на масле из семян сосны с перспективой использования в качестве топлива растительного масла. Именно эти эксперименты легли в основу исследований, которые в дальнейшем привели к созданию биодизеля.

Биодизель может быть получен разными способами. Для этого растительные масла или жиры преобразуются в жирные кислоты, которые в свою очередь преобразуются в эфиры. Масла или жиры могут также непосредственно преобразовываться в метиловый или этиловый эфиры, используя кислоту или ускоренную каталитическую реакцию. Самый обычный метод получения биодизеля, известный как "трансэфиризация", состоит в расщеплении молекулы глицерольного эфира жирной кислоты на молекулы метилового эфира.
Таким образом, биодизель - это название, данное эфирам соответствующих масел, которые используются как дизельное топливо. Это неядовитое, разлагаемое микроорганизмами жидкое топливо состоит из длинных цепей моноалкиловых эфиров жирных кислот и может использоваться либо в чистом виде, либо в смеси с дизельными нефтяными топливами.

Особое место в технологическом процессе изготовления биодизеля отводится его испытаниям и контролю качества. Из многих существующих методов испытаний биодизеля наиболее перспективными для оценки его качества считаются новые методы, предусмотренные американскими стандартами 14105 и ASTM D6584. Если при проверке топливо не соответствует положительной оценке, оно подвергается доработке с последующим повторным испытанием.

Оставшийся в топливе глицерин может вызвать забивание распыливающих отверстий форсунки. Появление свободного и полного глицерина в биодизеле обусловлено, как правило, недостаточным преобразованием масла или жира в желательный моноалкиловый эфир.

Обычно биодизель из-за его высокой стоимости смешивают с дизельным топливом (ДТ). Другой причиной для применения смеси из биодизеля и ДТ являются неудовлетворительные пусковые свойства двигателя, работающего на биодизеле при низкой температуре.

Биодизель может использоваться в различных целях. Его можно применять в качестве смазывающей добавки (1…2 %) к дизельному топливу с крайне низким содержанием серы, а смесь 20 % биодизеля с 80 % дизельного топлива (B20) обычно служит заменой ДТ, которым, согласно стандарту ASTM, могут быть ДТ1, ДТ2, авиационный керосин или другие продукты переработки нефти. При соответствующей подготовке можно использовать в двигателе и чистый биодизель (В100).

В настоящее время B20 - самая распространенная биодизельная смесь в Соединенных Штатах. Считается, что она позволяет удачно сбалансировать требования, связанные с особенностями ДТ, рабочими характеристиками, эмиссией отработавших газов и стоимостью. Эта смесь может использоваться в системах, предназначенных для работы на дизельном топливе, в том числе в дизельных двигателях, нефтяных нагревательных котлах и турбинах, не требуя никаких перерегулировок и переделок.

Применение смесей с более высоким содержанием биодизеля (типа B50 или B100) требует специальной подготовки системы управления и может потребовать модификации оборудования, например, применения специальных подогревателей или замены уплотнений и прокладок, которые контактируют с топливом. В целом считается, что: B100 обеспечивает наиболее высокие экологические характеристики.; B20 обеспечивает получение впятеро меньших экологических преимуществ по сравнению с B100, но может широко использоваться на существующих двигателях при незначительной их модификации или вообще без нее; 2-процентная смесь биодизеля с ДТ обеспечивает незначительное улучшение экологических характеристик, но может использоваться как полезная добавка.
Одной из наиболее важных характеристик ДТ является его способность к самовоспламенению. Эта характеристика определяется величиной цетанового числа топлива (цетановым индексом). Американское ДТ имеет сравнительно невысокие цетановые числа, в среднем, около 40, а европейское ДТ имеет цетановый индекс 50 ед. Исследования показали, что цетановые числа биодизеля лежат в интервале величин от 45,8 до 56,9 ед.

Другой важной характеристикой дизельного топлива являются его смазочные свойства. Смазка топливных форсунок и некоторых типов топливных насосов обеспечивается самим топливом. Биодизель имеет лучшие смазочные свойства, чем современные ДТ с низким содержанием серы (500 весовых частей серы на 1 млн весовых ед. топлива - 500 ppm). Проблема улучшения смазочных свойств ДТ обострится, когда будет введено требование об уменьшении содержания серы в ДТ (до 15 ppm). Как показывают исследования, добавление 1…2 % (по объему) биодизеля в смесь с ДТ с низким содержанием серы улучшают смазочные свойства этого топлива.
В продуктах сгорания биодизеля отсутствуют сера или частицы ароматиков. Биодизель содержит до 10 % кислорода, что способствует активизации процесса сгорания при работе двигателя на богатых смесях.

Биодизель обладает определенными недостатками. Как упоминалось ранее, в холодных условиях двигатель работает на биодизеле заметно хуже, чем на ДТ. Температура начала процесса, при которой топливо становится мутным, называют точкой кристаллизации (помутнения). При еще более низкой температуре топливо теряет текучесть, становится гелем, который не может быть прокачан по трубопроводу. Оба названных температурных порога у биодизеля выше, чем у ДТ.

С другой стороны, повышенная растворяющая способность биодизеля и его агрессивность могут создать проблемы для топливной системы. Биодизель может оказаться несовместимым с материалами уплотнений, используемыми в топливных системах транспортных средств машин, выпущенных до 1994 г. Поэтому переход на использование смесей B20 или B100 в любом транспортном средстве или машине требует большой осторожности.

Биодизель не оказывает существенного положительного влияния на увеличение эффективной энергии в двигателе. Эффективная энергия - это доля полной тепловой энергии топлива, введенного в двигатель. Термин "объемная эффективность" лучше знаком пользователям транспортных средств. Обычно объемная эффективность характеризуется величиной расхода топлива на единицу пути или величиной пробега на единицу объема топлива. Содержание энергии в единице объема биодизеля на 11 % ниже, чем у ДТ, поэтому транспортное средство, работающее на В20, при прочих равных условиях будет иметь пробег на 2,2 % меньший (на единицу объема топлива), чем при работе на ДТ.

Приблизительно 11 % массы B100 составляет кислород. Присутствие кислорода в биодизеле улучшает процесс сгорания и способствует уменьшению выбросов углеводородов, угарного газа и сокращению эмиссии макрочастиц; но при этом кислородосодержащие топлива имеют тенденцию к увеличению эмиссии окислов азота. Результаты испытаний подтверждают соответствующие теоретические предположения.

Увеличение эмиссии окислов азота при работе на биодизеле создает достаточные причины для беспокойства, поэтому в США Национальная лаборатория охраны окружающей среды (NREL) провела исследования, связанные с поиском путей уменьшения эмиссии окиси азота при работе на биодизеле. Установлено, что добавление цетаноповышающих агентов, таких как "ди-терт-бутил пероксид" в количестве 1…2 % или этил-нитрата в количестве 0,5 % способствует уменьшению эмиссии окислов азота при сгорании биодизеля. Такой же эффект дает сокращение ароматиков от 31,9 до 25,8 % в ДТ. Эмиссия окислов азота в смесях с биодизелем может быть уменьшена путем добавления в них керосина или ДТ марки Fischer-Tropsch. Керосин, смешанный с 40 % биодизеля, обеспечивает эмиссию окислов азота не выше, чем она бывает при работе на ДТ. Этот же результат дает смесь ДТ Fischer-Tropsch с 54 % биодизеля.
Большинство исследований эмиссии биодизеля было выполнено на существующих двигателях тяжелых шоссейных грузовых автомобилей. Результаты исследований легли в основу стандартов на эмиссию.

Применение биодизеля из натурального растительного масла вместо ДТ обеспечивает уменьшение эмиссии углекислого газа и расхода топлива. Это утверждение основано на результатах анализа работы двигателя на биодизеле и ДТ в течение его жизненного цикла. По оценке NREL использование биодизеля марки В100 из бобов сои в двигателях городских автобусов уменьшает эмиссию углекислого газа на 78,45 %. Следует отметить, однако, что количество СО2, выделяемое в атмосферу с учетом промышленного производства биодизеля (в расчете на жизненный цикл работы дизеля), практически нивелирует экологические преимущества от его сгорания в двигателе.

Как отмечено выше, замена обычного ДТ на B100 уменьшает большинство вредных примесей в ОГ, но увеличивает содержание окислов азота. Так, например, при использовании B100 сокращается содержание углеводородов (HC), но приблизительно на 10 % увеличивается количество окислов азота (NOx), и в городских условиях это приводит к образованию смога. Смог затрудняет работу легких, приводит к обострению астмы и может вызвать хронические заболевания органов дыхания.

Увеличение выделений NOx в ОГ может быть минимизировано модификацией двигателей, применением специальных добавок к топливу или использованием реакторов-дожигателей.

Хотя эмиссия углеводородов HC при сгорании топлива с биодизелем уменьшается по сравнению с работой на ДТ, их выброс в атмосферу с учетом выделений при промышленном производстве биодизеля суммарно оказывается на 35 % выше, чем при применении ДТ.

Сажа. При применении B100 происходит приблизительно 50-процентное сокращение выброса твердых частиц (РМ или сажи). Исследования показали резко отрицательное влияние сажи на здоровье человека, ее наличие приводит к легочным заболеваниям и может вызвать преждевременную смерть.

Ядовитые выделения в атмосферу. Выделения от сгорания В100 на 60…90 % менее токсичны, чем при сгорании ДТ. Такие компоненты, как формальдегид и бензол могут причинить большой вред здоровью, вызывая рак, нарушения работы иммунной и репродуктивной систем.

Другие экологические характеристики биодизеля. Биодизель неядовит и разлагается в четыре раза быстрее, чем обычное ДТ. Его попадание в воду или другие области окружающей среды сопряжено с гораздо менее вредными последствиями.

При производстве биодизеля объем образующихся опасных отходов примерно на 95 % меньше, чем при производстве нефтяного дизельного топлива, зато количество неопасных отходов приблизительно удваивается. Опасные отходы обычно являются следствием применения химических веществ, связанных с очисткой нефти, а большинство неопасных отходов - это продукты переработки сои.

(Окончание в следующем номере).