Биодизель

Биодизель — это жидкое моторное топливо, представляющее собой сложные метиловые (или этиловые) эфиры жирных кислот, получаемые из растительных масел или животных жиров. По химической природе является сложным эфиром, в отличие от нефтяного дизеля, который представляет собой смесь углеводородов. Биодизель используется в дизельных двигателях внутреннего сгорания как в чистом виде (B100), так и в смеси с традиционным нефтяным дизельным топливом. Относится к категории возобновляемых источников энергии и биотоплива второго поколения.

История

Идея использования растительных масел в качестве топлива для двигателей возникла одновременно с созданием самого дизельного двигателя. Рудольф Дизель, изобретатель двигателя, названного его именем, впервые продемонстрировал работу своего двигателя на Всемирной выставке 1900 года в Париже, используя в качестве топлива арахисовое масло. Дизель полагал, что растительные масла станут основным топливом будущего, однако развитие нефтяной промышленности и дешевизна нефти надолго отложили эту идею.

Интерес к биодизелю возобновился в 1970-х годах на фоне нефтяных кризисов. Первые промышленные установки по производству метиловых эфиров из рапсового масла появились в Австрии и Германии в середине 1980-х годов. В 1990-х годах, с ростом озабоченности по поводу глобального потепления и энергетической безопасности, производство биодизеля начало активно развиваться в странах Европейского союза, США и Бразилии. В России первые опытно-промышленные партии биодизеля из рапсового масла были получены в начале 2000-х годов, однако масштабного промышленного производства не сложилось.

Химический состав и процесс получения

Сырьё

Для производства биодизеля используются различные триглицериды — жиры и масла. Основные виды сырья включают:

• Растительные масла: рапсовое (наиболее распространено в Европе), соевое (США, Аргентина, Бразилия), пальмовое (Юго-Восточная Азия, Индонезия), подсолнечное, кукурузное, кокосовое, а также отработанные кулинарные жиры.
• Животные жиры: говяжий, свиной, рыбий жир.
• Масла из водорослей: рассматриваются как перспективное сырьё, не конкурирующее с продовольственными культурами.

Реакция переэтерификации

Основной промышленный метод получения биодизеля — реакция переэтерификации (трансэтерификации). Триглицериды (жиры или масла) вступают в химическую реакцию с низкомолекулярным спиртом (обычно метанолом, реже — этанолом) в присутствии катализатора (гидроксид натрия, гидроксид калия или метилат натрия). В результате реакции образуются две фазы:

1. Сложные метиловые эфиры жирных кислот (FAME) — собственно биодизель.
2. Глицерин — побочный продукт, используемый в фармацевтической, косметической и химической промышленности.

После завершения реакции смесь разделяют. Биодизель очищают от остатков катализатора, спирта и глицерина с помощью промывки водой и сушки.

Свойства и характеристики

Физико-химические свойства

• Цетановое число: обычно выше, чем у нефтяного дизеля (50-65 против 40-55), что обеспечивает более лёгкий пуск двигателя и меньшую жёсткость работы.
• Температура застывания: значительно выше, чем у нефтяного дизеля. Для биодизеля из рапсового масла она составляет около -10…-15 °C, из пальмового — +10…+15 °C. Это накладывает ограничения на использование в холодном климате без добавок или смешивания.
• Вязкость: выше, чем у нефтяного дизеля, что может вызывать проблемы с распылением топлива в форсунках при низких температурах.
• Смазывающая способность: значительно превосходит современное малосернистое нефтяное дизельное топливо, что снижает износ топливной аппаратуры.
• Окислительная стабильность: ниже, чем у нефтяного дизеля. Биодизель склонен к окислению и полимеризации при длительном хранении, особенно при контакте с воздухом и металлами (медь, цинк).

Экологические свойства

• Выбросы CO₂: при сжигании биодизеля выделяется примерно столько же диоксида углерода, сколько было поглощено растениями в процессе фотосинтеза, что делает его углеродно-нейтральным в цикле роста-сжигания (без учёта выбросов при производстве и транспортировке).
• Выбросы вредных веществ: по сравнению с нефтяным дизелем, выбросы твёрдых частиц (сажи) снижаются на 30-50%, оксида углерода (CO) — на 10-20%, углеводородов (HC) — на 10-30%. Выбросы оксидов азота (NOx) могут незначительно увеличиваться (на 5-10%).
• Биоразлагаемость: биодизель практически полностью разлагается микроорганизмами в окружающей среде за 28 дней (до 90%), в то время как нефтяной дизель разлагается значительно медленнее. Это делает его более безопасным при утечках и разливах.

Применение

В чистом виде (B100)

Использование 100% биодизеля возможно в двигателях, специально адаптированных производителем. Требуется замена некоторых материалов топливной системы (резиновые уплотнители на фторполимерные, Viton), а также более частая замена масла и топливных фильтров из-за моющих свойств биодизеля (он растворяет отложения в топливном баке).

В смеси с нефтяным дизелем

Наиболее распространённая форма применения. Смеси обозначаются буквой B и процентным содержанием биодизеля:

• B5 (до 5% биодизеля) — стандартная смесь, допускаемая большинством производителей дизельных двигателей без каких-либо модификаций.
• B20 (до 20% биодизеля) — распространённая смесь для грузового транспорта и автопарков; требует контроля за температурой и состоянием топливной системы.
• B30 и выше — используются в сельскохозяйственной технике, строительной технике и стационарных двигателях.

В России

Производство биодизеля в России носит ограниченный характер. Основные сдерживающие факторы — холодный климат (высокая температура застывания), доступность дешёвого нефтяного дизеля и отсутствие государственных программ стимулирования. В ряде регионов (Алтайский край, Липецкая область) существуют экспериментальные установки, работающие на местном сырье (рапс). Основное применение — в сельском хозяйстве (тракторы, комбайны) в летний период.

Экономические аспекты

Стоимость производства биодизеля напрямую зависит от цены исходного сырья. В большинстве стран биодизель дороже нефтяного дизеля. Для обеспечения конкурентоспособности государства вводят налоговые льготы, субсидии производителям и обязательные квоты на добавление биотоплива в нефтяной дизель (например, директива ЕС RED II). В России экономическая целесообразность производства биодизеля без государственной поддержки считается низкой.

Критика и ограничения

1. Конкуренция с продовольствием: использование пищевых масел (соевого, рапсового, пальмового) для производства топлива приводит к росту цен на продовольствие и может способствовать расширению сельскохозяйственных угодий за счёт вырубки лесов (особенно в тропических регионах).
2. Энергетический баланс: на производство биодизеля (выращивание, сбор, переработка, транспортировка) затрачивается значительное количество энергии. Энергетический выход (отношение полученной энергии к затраченной) для биодизеля из рапса составляет около 2-3, что ниже, чем для этанола из сахарного тростника.
3. Эксплуатационные проблемы: высокая температура застывания, низкая окислительная стабильность, моющие свойства (вымывание отложений) и агрессивность к некоторым материалам (резина, медь, латунь) требуют дополнительных мер при эксплуатации.
4. Неполное сгорание: при работе на биодизеле возможно образование отложений в камере сгорания и на форсунках, особенно при низких температурах и неоптимальных режимах работы двигателя.

Источники

1. ГОСТ Р 53605-2009 «Топливо дизельное биодизельное. Технические условия».
2. Карабанов, С. М., & Карабанова, Н. С. (2011). Биодизельное топливо: производство, свойства, применение. М.: КолосС.
3. Demirbas, A. (2008). Biodiesel: A Realistic Fuel Alternative for Diesel Engines. Springer.
4. Hoekman, S. K., & Robbins, C. (2012). Review of the effects of biodiesel on NOx emissions. Fuel Processing Technology, 96, 237-249.
5. Директива Европейского парламента и Совета 2018/2001 (RED II) о продвижении использования энергии из возобновляемых источников.