Современное использование альтернативных топлив для автотранспорта

Нестабильность мировых цен на минеральное топливо, сокращение его запасов, проблемы с транспортировкой заставляют искать альтернативные источники топлива, которые максимально приближены к его потребителям. Топливо можно получать не только из нефти. Например, альтернативой минеральному топливу выступает биотопливо, для производства которого активно вовлекается сельское хозяйство и которое используется на автотранспорте и сельхозтехнике. К 2020 году прогнозируется увеличение потребления биотоплив до 80 млн. т, что будет соответствовать приблизительно 20 % общего потребления транспортных топлив.

На сегодняшний день, самый распространённый вид биотоплива — биоэтанол. Его доля составляет 82 % всего производимого в мире топлива из биологического сырья (Рис. 1). Ведущими его производителями являются США и Бразилия. Второе место среди производимых и потребляемых биотоплив занимает биодизель. В Европейском Союзе сосредоточено 49 % производства биодизеля.

Рис. 1. Доля биоэтанола в мировом объеме производства биотоплива

Биоэтанол — этиловый спирт, полученный в результате спиртового брожения с последующей ректификацией или гидролизным методом из возобновляемого растительного сырья. В качестве растительного сырья могут выступать сахарный тростник, пшеница, стебли пшеницы, ржи, ячменя, сахарной свеклы, кукурузы, древесных опилок, то есть все то, что содержит крахмал или сахар. Топливный биоэтанол отличается от других спиртов нормируется ГОСТ Р 53200–2008 ТУ «Денатурированный топливный биоэтанол» предельно допустимым содержанием влаги.

Главным достоинствам использования биоэтанола в качестве альтернативного топлива является экологичность. Использование биоэтанола в качестве топлива позволяет снизить выбросы диоксида углерода, являющегося парниковым газом. Максимальное снижение выбросов CO₂ может быть достигнуто при производстве этанола из целлюлозосодержащих отходов (например, отходов лесной промышленности, 52 %); теоретический максимум снижения выбросов — 82 % — может быть достигнут при производстве этанола из целлюлозной биомассы проса Panicum virgatum, однако такие производства в настоящее время отсутствуют.

Первое место по производству биоэтанола занимает США. Ведущей ассоциацией производителей этанола в США является ассоциация RFA (RenewableFuelAssociation). На территории США действует 194 завода по производству биоэтанола, 163 завода используют исключительно кукурузу, 14 заводов используют сборное сырьѐ из кукурузы и сорго, 3 завода работают на отходах пиво-алкогольного производства, 4 завода — на целлюлозе (древесные опилки, полевые отходы). Остальные 12 заводов используют преимущественно кукурузу, но мощности загружают и другим сырьѐм, типа ячмень, сахарная меласса, отходы переработки картофеля, крахмал, сырная сыворотка. Использование кукурузы в качестве сырья для получения биоэтанола в США объясняется благоприятными условиями для выращивания. После переработки кукурузного зерна остается побочный продукт — зерновой дистиллят, который используется в качестве корма для скота. Кукуруза не обладает максимальным выходом биотоплива, в отличие от сахарного тростника, но по технологическим и экономическим причинам в настоящее время остается лидером среди других видов сырья.

Бразилия является вторым по величине после США производителем этанола в мире с выпуском в 24,9 млрд. литров. Ведущей ассоциацией производителей биоэтанола в Бразилии является UNICA (BrazilianSugarcaneIndustryAssociation). В 2009 г. в Бразилии функционировало 440 сахарных заводов. Сегодня Бразилия обеспечивает 40 % своих потребностей в автомобильном топливе за счет использования биоэтанола — это рекордно высокий результат. Отличительной чертой Бразильского рынка является то, что в стране производится и продается потребителям 2 вида этанола: обезвоженный (с 0,5 % содержанием воды — является в США стандартом) и гидратный (с 5 % содержанием воды) этанол.

Европейский союз (ЕС) — третий по величине производитель топливного этанола в мире. Объем производства топливного этанола в ЕС в 2009 г. составил 3,7 млрд. литров, что на 30 % выше по сравнению с 2,8 млрд литров в 2008 г. Ведущей ассоциацией биотопливных производителей в Европе является ассоциация eBio. Производством этанола в ЕС занимается 18 стран-членов содружества. Самым крупным производителем этанола по-прежнему остаѐтся Франция (1,25 млрд. литров в 2009г. –33,3 % общеевропейского производства). Также увеличили своѐ производство Германия (750 млн. литров) и Испания (465 млн. литров).

В России источником получения растительной биомассы для получения этанола на сегодняшний день является зерно злаковых, причем могут быть использованы низкосортные высокопродуктивные технические сорта зерна, непродовольственное фуражное зерно, а также морозобойное или поврежденное болезнями зерно, рапс. В 2012 году во Владивказе был пущен в эксплуатацию первый завод по производству биоэтанола в России. Суточная производительность завода 200 т. Биоэтанол, произведенный в России, имеет хорошие перспективы для продвижения на рынках Европейского Содружества и Японии. Потенциальный размер рынка российского биоэтанола оценен экспертами в 850 млн. литров.

Существенным недостатком биоэтанола является его повышенная гидроскопичность, вследствие которой в бензобаке может накапливаться влага. Применение специальных емкостей для хранения биоэтанола поможет избавиться от этого недостатка, но при этом, существенно усложняется конструкция автомобиля и требуются дополнительные капитальные вложения.

Однако, на сегодняшний день в России производство и использование биоэтанола не распространенно и прежде всего это связано с тем, что Российская Федерация обладает большими запасами углеводородного сырья. Кроме этого, как указано выше, спирт и его смеси с бензином не замерзают, но еще больше склонны к поглощению влаги. На определенном этапе это может привести к расслоению топливной смеси, что недопустимо. Ситуация усугубляется тем, что даже если сразу расслоения не произойдет, резкие перепады температуры могут привести к появлению в топливной системе водяного конденсата. При низких температурах он замерзает и приводит к забивке топливопроводов, фильтров и др. Влага также способствует появлению коррозии. Таким образом, для районов с резко континентальным климатом, а это практически вся территория Российской Федерации, спирто-бензиновые смеси могут оказаться непригодными.

Именно поэтому целесообразно производить и использовать в качестве альтернативного топлива в России биодизель. Биодизельное топливо является экологически менее вредной альтернативой дизельному топливу минерального происхождения.

Для получения биодизельного топлива используют растительные или животные жиры. Сырьём могут быть рапсовое, соевое, пальмовое, кокосовое масло, или любого другого масла, а также отходы пищевой промышленности. Разрабатываются технологии производства биодизеля из водорослей. Биодизель можно получить тремя способами: с использованием гомогенного катализатора, гетерогенного катализатора и безкаталитическим методом при сверхкритических параметрах. Последний способ получения более удобный, так как не требует регенерации и замены катализатора. В России постоянно ведутся научные исследования по всем трем направления, кроме этого, Россия обладает большими сельхозплощадями и вполне могла бы выйти на лидирующие позиции в мире по производству биодизельного топлива. Однако, в настоящее время Россия только экспортирует исходное сырье, а именно рапс, в страны ЕС для последующей переработки в биодизель. Но имеющийся научно-технический и ресурсный потенциал в совокупности с поддержкой государства может вывести Россию в ближайшее десятилетие на лидирующие позиции в производстве альтернативного биодизельного топлива.

Литература:

1.         Иванникова Е. М., Систер В. Г., Нагорнов С. А. Альтернативные топлива для дизельных двигателей: учебное пособие. М.: Машиностроительный университет, 2014. 187 с.

2.         Википедия [электронный ресурс]: свободная энциклопедия. — Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki

3.         В. В. Соколов, В. А. Лукшо, А. С. Теренченко, Д. В. Извеков, В. Г. Систер, Е. М. Иванникова Анализ физико-химических и химмотологических свойств образцов биодизельных топлив // Химическое и нефтегазовое машиностроение. — 2008. — № 11. — с.42–44.

4.         Систер В. Г. Технология получения биодизельного топлива и грин-дизеля / Систер В. Г.// Труды МАМИ. — 2010. -№ 243. — С. 53–55..

5.         ГОСТ Р 52368–2005 (ЕН 590:2004). Топливо дизельное евро.

6.         Ачегу З. А., Короткова Т. Г., Константинов Е. Н. Производство спирта для моторного биотоплива. Матер. Всерос. научно-практ. конф. Челябинск: Изд-во ЮУрГУ. — 2007. — с.14–16.

7.         Иванникова Е. М., Систер В. Г., Чирков В. Г. Альтернативные топлива для двигателей внутреннего сгорания // Альтернативная энергетика и экология. — 2014. — № 13. — с. 35–43.

8.         Заварухин С. Г., Яковлев В. А., Пармон В. Н., Систер В. Г., Иванникова Е. М., Елисеева О. А. Разработка процесса переработки рапсового масла в биодизель и высокоцетановые компоненты дизельного топлива // Химия и технология топлив и масел. — 2010. — № 1. — С. 3–7.

9.         Систер В. Г., Иванникова Е. М., Ямчук А. И., Чирков В. Г., Трохин И. С., Кожевников Ю. А. Промышленная экология

10.     // Химическое и нефтегазовое машиностроение. — 2013. — № 3. — С. 41–43.