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.

(Окончание. Начало № 1 - 2007)

Эксперименты с биодизелем были начаты, как известно, еще в 1850 г., после изобретения двигателя Рудольфом Дизелем. Интерес к биодизелю возобновился в 70-х годах прошлого века., однако его выпуск в коммерческих целях начался только в конце 90-х годов.
В 1999 г. промышленный впуск биодизеля составлял 32,6 баррелей/день и достиг 437 баррелей/день в 2000 г. Реальное "возрождение" биодизеля началось в 90-х гг., когда во Франции, Германии, Чешской республике, Швеции и Австрии появились заводы по производству биодизеля.

В то время, как биологическое топливо обладает существенными потенциальными преимуществами по сравнению с обычным дизельным топливом, его стоимость остается существенно более высокой, чем стоимость ДТ. В результате, биологическое топливо получило развитие только в тех странах, которые признали реальные долговременные выгоды от его применения и приняли соответствующие государственные решения в его поддержку.

Успешное развитие данного направления промышленности сдерживается сложностью и недостаточной изученностью проблемы, а также разобщенностью прилагаемых для ее решения усилий. Объем выпуска этого топлива в Европе постоянно растет. Оно предназначено, в основном, для использования в грузовых автомобилях. Существуют три наиболее крупных центра промышленного производства этого топлива в Европе - Австрия, Франция и Германия. Выпуск биодизеля составляет сейчас, соответственно, 7,5%, 0,7% и 0,4% от общего количества потребляемого в этих странах дизельного топлива. В Германии, Австрии и Швеции 100-процентный биодизель применяется на специально приспособленных для этого автомобилях. В среднем потребление биодизеля составляет ~1% от расхода дизельного топлива. Качество биодизеля достигло высокого уровня, который удовлетворяет требованиям европейского стандарта EN 14214, американского стандарта D-6751-02 и др.

В мировом производстве биодизеля ведущую роль играет Европа, выпустившая более 1,6 млн т биодизеля в 2002 г. и способная изготавливать его в количестве более 2,1 млн т в год.

Производство биодизеля в ЕС началось с небольших объемов, менее чем 10000 метрических тонн в год, а в настоящее время достигло 250000 метрических тонн в год и более.

По сравнению с Европой рынок биодизеля США находится все еще в начальной стадии развития. В Европе в 2005 г., в основном в Германии, было произведено 800 миллионов галлонов биодизеля, а в США - всего 10 % этого количества.

Однако решения, принятые в этой области на государственном уровне в США, создали условия для резкого развития промышленного производства биодизеля. В период с 2004 по 2005 гг. выпуск биодизеля в США вырос с 25 млн до 75 млн галлонов в год.

В выпуске "Обзора мирового промышленного производства биодизеля" за 1997 г. отмечалось, что основным сырьем для выпуска биодизеля является растительное масло.

Рапсовое масло. Обладает относительно высокой стойкостью к окислению. Содержание йода (IV) в нем ниже, чем 120 ед., оно удобно для использования в зимних условиях, а рапс дает большие урожаи. Поэтому значительные площади заняты именно этой культурой под сырье для биодизеля.

Подсолнечное масло. В настоящее время урожаи подсолнечника ниже, чем урожаи рапса, однако он хорошо произрастает в странах с теплым и сухим климатом. Содержание йода (IV) в нем выше, чем 120 (согласно европейскому Стандарту EN 14214 его не должно быть более 120), поэтому его приходится смешивать с другими маслами, содержащими меньшее количество йода.

Животные жиры и отходы пищевых жиров. Применение этого вида сырья в Европе определяется Стандартом EN 14241. Животные и пищевые жиры содержат повышенное количество полимеров, но они получили распространение в тех странах, где они довольно дешевы и обеспечивают достаточную доходность.

Соевое масло. Оно получило широкое распространение в США и Аргентине. Масло сои имеет повышенное содержание йода (более 120), однако на него не распространяется действие европейского стандарта EN 14214, а американский стандарт D-6751-02 не содержит подобных ограничений.

Пальмовое масло. Широко используется в Малайзии с 1987 г. для производства биодизеля. Из-за характерной для пальмового масла температуры снижения жидкотекучести при + 11°C его применение ограничено странами с теплым климатом (может использоваться в них только в смесях с другим сырьем).

Другие источники. Потенциальные возможности использования других семян масличных культур в качестве сырья для получения биодизеля полностью еще не исследованы. Применение ореховых масел начато в Никарагуа, опыты по использованию хлопкового масла успешно проведены в Греции.

Семена новых масличных культур. Для получения биодизеля с оптимизированными свойствами могут рассматриваться культуры: с минимальным содержанием полиненасыщенных жирных кислот типа линолевой кислоты (18:3); с максимальным содержанием мононепредельных жирных кислот, типа олеиновой кислоты (18:1), чтобы обеспечить хорошую стабильность в сочетании с удобством зимнего использования; с минимальным уровнем насыщаемых жирных кислот (16:0) и стеариновой кислоты (18:0) для удобства зимнего использования.

Стремление увеличить объемы производства биодизеля может привести к использованию генетически измененных зерновых культур, применению пестицидов и расширению площадей под сельскохозяйственные культуры - сырье для его выпуска.

Однако, как показывают проведенные расчеты, максимально возможный объем выпуска биодизеля (с учетом всех видов потенциального сырья) может составить не более одного миллиарда галлонов в год, т.е. менее 3 % от современного объема выпуска нефтяного дизельного топлива.

Цена биодизеля марки B100 может быть в два раза выше цены обычного ДТ, в то время как при меньшем его содержании в смеси с ДТ стоимость такого топлива соответственно снижается. Цена на биодизель зависит от региона его производства, используемого сырья и, как отмечалось, от процентного содержания в смеси с дизельным топливом. В США Администрация по делам информации и энергии (EIA) использует эффективный метод моделирования влияния затрат на производство сырья для определения объемов промышленных и эксплуатационных расходов. Животный (желтый) жир дешевле, чем масло сои, но его объемы ограничены, в том числе и из-за того, что он применяется в качестве кормовых добавок, а также при изготовлении мыла и других моющих средств. С 1993 до 1998 гг. поставка животного жира в США была на уровне 2,633 млрд фунтов, что позволяло получать 344 млн галлонов (22440 баррелей/день) биодизеля. EIA считает, однако, что конкурирующее использование может ограничить производство биодизеля из животного жира величиной в 100 млн галлонов/год (6523 баррелей/день). Ценовые прогнозы EIA для масла сои основываются на данных американского министерства земледелия (USDA) и материалах других организаций. Прогнозы составляют для дизельных топлив, например, в 2007/2008 2,44 долл. /галлон.

Прогнозируемые цены на животный жир были получены с использованием прогнозных оценок стоимости масла сои.
Оценки стоимости других составляющих производства биодизеля основываются на анализе процесса его получения с метиловым спиртом при катализации процесса гидратом окиси натрия, приводящей к получению метилового эфира (биодизеля) и глицерина. При этом эксплуатационные расходы были оценены величиной 31 цент/галлон, за исключением стоимости масла или жира, а также затрат энергии и выручки от продажи глицерина, которая уменьшает стоимость биодизеля на 15 центов/галлон.

В процессе производства биодизеля на каждый его галлон требуется затратить 0,083 кВт·ч электроэнергии и 10 ккал тепловой энергии, получаемой от сжигания природного газа. По оценке EIA затраты энергии составят 18 центов/галлон в 2004 г. и 16 центов/галлон в 2005 и 2006 гг. Затраты на строительство завода по выпуску биодизеля оценивают в размере 1,04 долл. на величину объемного ежегодного выпуска биодизеля в галлонах. Окупаемость такого завода с ежегодными кредитными выплатами по 10 % может быть обеспечена через ~ 15 лет.

Сообщается, что заводы по производству биодизеля с программой выпуска 60...80 млн галлонов/год уже построены.
В настоящее время существует благоприятная ситуация для развития промышленного производства биодизеля. Она связана с предстоящим переводом дизелей грузовых автомобилей на топлива с резко сниженным содержанием серы (с 500 до 15 ppm). Такой переход требует существенного изменения технологии очистки нефти от серы, что связано с модернизацией производства и крупными финансовыми затратами. Известно, что биодизель практически не содержит серы. Поэтому проблема получения низкосернистого топлива для транспортных дизелей может быть решена не очисткой ДТ от серы, а внедрением биодизеля.

В течение прошедших нескольких лет USDA выпущены гранты на организацию производства биодизеля. Сообщается, что если изготовитель будет производить биодизель из натурального масла, например, масла из бобов сои, то ему может быть предоставлен кредит в размере 1 долл./галлон на объем планируемого выпуска биодизеля. При изготовлении биодизеля из животных жиров кредит составит 50 центов/галлон.

В США Министерством энергетики (DOE) разработана программа, называемая EPAct. Она предусматривает определенный процент отчислений в пользу государственных владельцев транспортных средств, использующих биодизель. Кроме того, EPAct поставила цель заменить к 2000 г. 10 % ДТ альтернативными топливами (биодизелем). К 2010 г. такая замена должна составить 30 %. Согласно EPAct 75 % государственных транспортных средств должны быть способны работать на биодизеле, что должно послужить примером для развития этого направления для частных автомобильных и топливных отраслей промышленности. Уточнения, внесенные в этот Акт в 1998 г., предусматривают выдачу льготных кредитов на покупку автомобилей с двигателями, работающими на биодизеле. Отмечается, что созданные стимулы развития производства и использования биодизеля наиболее активно восприняты Министерством обороны США.

В октябре 2004 г. Конгресс США ввел налоговые льготы для пользователей биодизеля. Величина льготы является функцией его процентного содержания в смеси с нефтяным дизельным топливом. Так, при использовании биодизеля марки В20 дается ценовая скидка 20 центов на галлон, при использовании В5 скидка составляет 5 центов на галлон. Скидки на биодизель, получаемый из животных жиров, установлены в два раза меньшими, чем на биодизель из растительных масел.

В заключение можно отметить, что в последние годы за рубежом были разработаны многочисленные директивные документы в обеспечение развития альтернативного топлива. Они дорабатываются и уточняются в соответствии с решаемыми задачами, основными из которых являются: сокращение рисков, вызванных отравлениями отработавшими газами двигателей (CO, HC, PM, NOX и др.). К числу таких документов относятся Акт "Чистый воздух" (США), директива " Качество топлив" (ЕС), стандарты EPA для двигателей внедорожных автомобилей, стандарты на чистоту ОГ (EURO-emission), стандарты для частных автомобилей и тяжелых грузовых автомобилей (программы "Автотопливо" I и II, ЕС, и др.); сокращение рисков, вызванных парниковым эффектом и глобальным изменением климата. Это новая Директива по использованию биологического топлива (Европейский Союз) и добровольное соглашение ACEA (Ассоциация разработчиков Европейских автомобилей) о допустимом к 2008 г. максимальном уровне выбросов СО2 , составляющем 140 г/км; сокращение рисков по энергообеспечению транспортного сектора. Это Акт "EPAct" (США) и новая Директива по развитию и использованию биологического топлива (Европейский Союз); сокращение рисков, связанных с нанесением ущерба окружающей среде, вызываемого ядовитыми веществами.

Биодизель - один из видов альтернативных топлив, которые могут снизить нефтяную зависимость и уменьшить глобальное загрязнение атмосферы. Использование концентрированных смесей биодизельного топлива в существующих транспортных дизелях может обеспечить их существенные преимущества по сравнению с работой на ДТ в отношении экологических показателей, ядовитых выделений, при этом биодизельное топливо является возобновляемым. Использование B20 в дизелях шоссейных автомобилей уменьшает путевой расход ДТ на ~ 5 %. Более значительная экономия топлива и экологическая чистота ОГ требуют перехода на высокое процентное содержание биодизеля в смеси.