АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ТОПЛИВА ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

ЭНЕРГИЯ БИОМАССЫ

ENERGY OF BIOMASS

Статья поступила в редакцию 29.05.14. Ред. рег. № 2025 The article has entered in publishing office 29.05.14. Ed. reg. No. 2025

УДК 621.43, 662.75, 662.76 DOI: 10.15518/ISJAEE (R). 1.20140601006

АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ТОПЛИВА ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

2

Е.М. Иванникова1, В.Г. Систер1, В.Г. Чирков

'Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ) 107023 Москва, Большая Семеновская ул., д. 38 Тел.: 8 (499) 267-19-70, e-mail: [email protected], [email protected] 2Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства РАСХН 109456 Москва, 1-й Вешняковский проезд, д. 2 Тел.: 8 (499) 171-19-20, 8 (499) 170-51-01, e-mail: [email protected]

Заключение совета рецензентов: 05.06.14 Заключение совета экспертов: 10.06.14 Принято к публикации: 15.06.14

Рассмотрены аспекты производства и применения различных видов альтернативного жидкого и газообразного топлива для двигателей внутреннего сгорания (ДВС), обеспечивающих снижение вредного воздействия на окружающую среду.

Проведена классификация альтернативных топлив с положительным экологическим эффектом в зависимости от агрегатного состояния, вида исходного сырья, присутствия в нем компонентов ископаемого происхождения, технологии приготовления. Проанализированы технические проблемы применения различных видов альтернативного топлива в бензиновых и дизельных ДВС. Выделены три основные группы альтернативных топлив: газообразные минеральные и биотоплива, жидкие смесевые биотоплива и синтетические жидкие биотоплива. Для различных видов топлива внутри каждой группы дана качественная оценка технико-экономических показателей, определяющих экологическую и продовольственную безопасность производства и применения, энергетическую эффективность полного цикла и рентабельность.

Показано, что среди используемых в широком масштабе топлив, обеспечивающих снижение выбросов вредных веществ в атмосферу при сжигании, газы ископаемого происхождения остаются на сегодняшний день единственной экономически оправданной альтернативой стандартному бензину и дизельному топливу.

В то же время специфика их применения требует дополнительных капитальных затрат, связанных с переоборудованием серийно выпускаемых ДВС. Этого недостатка лишены композитные минерально-органические биотоплива, производство которых не требует сложного энергоемкого оборудования, что в будущем может обеспечить вполне приемлемый уровень рентабельности.

Проведенный анализ свидетельствует о наличии громадного нереализованного потенциала минимизации экологического давления на окружающую среду в виде природного газа и биотоплив, приготовленных на основе возобновляемого органического сырья. По экологической эффективности эти решения не уступают концепции электромобиля.

Ключевые слова: альтернативные топлива, биодизельное топливо, этанол, экологический эффект.

THE ALTERNATE FUELS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES

E.M. Ivannikova1, V.G. Sister1, V.G. Chirkov2

'Moscow University of Mechanical Engineering 38 B. Semenovskaya str., Moscow, 107023, Russia Tel.: 8 (499) 267-19-70, e-mail: [email protected], [email protected] 2Russian Research Institute for Electrification of Agriculture (GNU VIESH) 2, 1-st Veshnyakovskiy proezd, Moscow, 109456, Russia Tel.: 8 (499) 171-19-20, 8 (499) 170-51-01, e-mail: [email protected]

Referred: 05.06.14 Expertise: 10.06.14 Accepted: 15.06.14

The issues of production and use of various alternative fluid fuels for internal combustion engines (ICE) providing the reduction of hazardous impact on the environment.

Alternative fuels having a positive environmental effect have been classified depending on their physical state, input raw-stock, presence of fossil components and preparation technology. Technical problems of various alternative fuels application in gasoline and diesel ICEs. Three groups of combustibles have been regarded: gaseous mineral and bio- fuels, liquid blends and synthesized liquid biofuels. Within each group, a qualitative estimation of technical-economical indicators that determine environmental and food provision safety, energy efficiency of the entire cycle and commercial expediency has been made.

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 13 (153) 2014 © Научно-технический центр «TATA», 2014

It has been shown that among widely used ICE fuels providing significant reduction of hazardous emissions into the atmosphere fossil gases remain the only economical alternative to standard ICE fuels today. At the same time, their use is associated with additional investments into ICE design modification.

This problem can be avoided with newly-developed composite mineral-organic biofuels that do not need complicated and energy-demanding equipment which may insure an acceptable commercialization level in the future.

The performed analysis shows that there exists an enormous potential of environmental situation improvement outside the electric car concept.

Keywords: alternative fuels, biodiesel, ethanol, environmental effects.

Как известно, современный транспорт использует для привода двигатели внутреннего сгорания (ДВС) и электродвигатели (ЭД). При этом отмечается все возрастающая активность ведущих автопроизводителей в области разработки электромобилей и гибридных моделей, в которых применены оба вида приводных агрегатов. Также в качестве общей тенденции следует отметить стремление занять ведущие позиции в отрасли на волне обеспокоенности мирового сообщества негативными последствиями развития автотранспорта, приводящими к ухудшению экологической ситуации. При этом основным фактором антропогенного воздействия на окружающую среду справедливо считается применение топлив, производимых в глобальных масштабах из компонентов ископаемого сырья, что ведет к нарушению баланса углекислого газа в атмосфере.

В то же время в течение нескольких десятилетий развиваются, хотя и с переменным успехом, другие направления, не выходящие за рамки традиционных

решений, использующих ДВС, позволяющие заметно снизить общие объемы выбросов парниковых газов и других вредных веществ в атмосферу. К ним относится, например, частичный перевод транспортных средств на газообразное топливо. Целью настоящей работы является обзор возможных альтернативных вариантов применения различных видов топлива, производимых на основе ископаемых и возобновляемых материалов, в рамках традиционной концепции ДВС.

Общая схема, представленная на рисунке, отображает номенклатуру альтернативных топлив, предназначенных для использования в ДВС с целью уменьшения выбросов парниковых газов и других вредных веществ в атмосферу транспортными средствами на основе ДВС. В левой части схемы показаны виды и компоненты моторного топлива, получаемые из ископаемого сырья, а в правой ее части -компоненты, являющиеся продуктами переработки возобновляемого органического сырья.

Альтернативные топлива для ДВС с положительным экологическим эффектом Alternative fuels with positive environmental effect for ICE

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 13 (153) 2014

© Scientific Technical Centre «TATA», 2014

Средняя часть содержит перечень альтернативных жидких и газообразных топлив, в том или ином объеме применяемых в качестве горючего для современных ДВС, установленных на транспортных средствах. Они подразделены на отдельные группы в зависимости от следующих признаков: агрегатное состояние; химический состав; наличие в сырье компонентов ископаемого происхождения.

Мы рассматриваем три группы: газообразные минеральные топлива и биотоплива, жидкие биотоплива, а также синтетические жидкие биотоплива. Последние выделены в отдельную группу ввиду того, что технология их приготовления включает в себя промежуточную стадию получения газообразных компонентов из твердого растительного сырья. Проанализируем состав, особенности применения, преимущества (прежде всего, экологические) и проблемы, связанные с применением альтернативных топ-лив каждой группы.

Группа газообразных топлив - самая представительная из трех. С одной стороны, в нее входят: природный газ, сжиженные углеводороды (СУВ), синтез-газ, получаемый путем газификации углеводородов (обычно угля), а также водород, который, в принципе, может быть произведен термохимическим способом из ископаемых углеводородов. С другой стороны, в эту группу включены газообразные продукты термохимической переработки возобновляемых органических компонентов (преимущественно растительного происхождения): генераторный газ, пиролизный газ и водород.

В перспективе особое место в этом направлении отводится водороду как «абсолютно чистому» топливу [1, 2]. В связи с этим следует заметить, что степень экологической «чистоты» любого топлива проявляется не только на стадии сжигания. Она также определяется конкретной технологией его приготовления, природой и способом подготовки и переработки исходного сырья. Это в полной мере относится и к водороду. Его экологическую эффективность можно считать достаточно высокой, если он производится из возобновляемых органических материалов, в то время как водород в составе синтез-газа, полученного из угля, не может считаться экологически чистым.

Анализируя современное состояние данного направления, можно сказать, что приход водородного топлива на транспорт серьезно осложнен отсутствием эффективных способов и достаточно компактных бортовых устройств для его хранения. Поэтому безраздельное превосходство в этом сегменте остается за сжиженным углеводородным топливом (пропан-бутановая смесь) и сжатым природным газом. Последний используется в гораздо более скромных масштабах по той же основной причине, что и водородное топливо. Теплотворная способность 1 л природного газа при атмосферном давлении составляет примерно 36 кДж/л. Исходя из этого, 50-литровый баллон со сжатым газом по запасу хода автомобиля

примерно соответствует бензобаку емкостью всего лишь 9-10 л. В принципе существует техническое решение, позволяющее многократно повысить удельную «энергетическую емкость» бортового контейнера для природного газа. Однако для этого необходима установка криогенной системы, обеспечивающей хранение газа при температуре ниже температуры кипения (порядка -170 °С при атмосферном давлении). Система может работать на основе жидкого азота, температура кипения которого при атмосферном давлении составляет -196 °С. Разработка таких систем также ведется, однако в настоящее время массового внедрения эти технологии не нашли.

С технической точки зрения использование любого из перечисленных в табл. 1 газообразных продуктов вместо природного газа не представляет дополнительных принципиальных сложностей, в то время как экологический эффект от их применения определяется природой конкретного вида топлива.

Таблица 1

Мировой парк газифицированных транспортных средств с ДВС

Table 1

Total amount of gasified cars with ICE in the world

Страна Количество транспортных средств, работающих на газе

тыс. единиц %

Пакистан 2750 20,8

Иран 2600 19,6

Аргентина 2000 15,1

Бразилия 1700 12,8

Индия* 1100 8,3

Италия 750 5,7

Китай 500 3,8

Колумбия 350 2,6

Таиланд 330 2,5

США 275 2,1

Украина 200 1,5

Бангладеш 150 1,1

Боливия 120 0,9

Перу 100 0,7

Германия 100 0,7

Россия 100 0,7

Армения 100 0,7

Венесуэла 15 0,1

Чили 8 0,06

ВСЕГО: 13248

*По неофициальным данным, в Индии на газовом топливе эксплуатируется несколько миллионов незарегистрированных автосредств.

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 13 (153) 2014 © Научно-технический центр «TATA», 2014

В последние десятилетия, заметно оттеснив на задний план природный и сжиженный газы, наибольших успехов добились два взаимодополняющих направления - топливный этанол, представляющий альтернативу бензину, и биодизельное топливо (БДТ), за которым закрепилось название «биодизель» и под которым понимают композитное (смесе-вое) жидкое моторное топливо на основе минерального дизельного топлива с добавлением некоторого количества метиловых эфиров жирных кислот (МЭЖК), произведенных химическим способом из масел преимущественно растительного происхождения [3-6]. Технически (и организационно) вполне осуществимы и другие способы минимизации вредных факторов, связанных с применением энергоносителей для транспортных средств.

Если обратиться к мировому опыту применения газообразных топлив на транспорте, то бесспорным лидером следует признать СУВ, в качестве которых повсеместно используется пропанобутановая смесь. В России стандартизированы два состава СУВ [7]: пропан автомобильный (ПА) с содержанием пропана 85±10%, предназначенный для зимней эксплуатации автомобилей с бензиновыми двигателями, и пропан-бутан автомобильный (ПБА) с содержанием 50±10% пропана, порядка 35% бутана и не более 6% непредельных углеводородов для применения в летний период.

Наиболее заметный рост производства газового оборудования для автомобилей имел место в 1970-е годы, и лидерство в этой области принадлежало Италии, которая поставляла на мировые рынки широкий ассортимент газовых баллонов и редукторов. В тот период интерес к газовому топливу носил преимущественно экономические причины. Серьезным испытанием «газовой альтернативы» стала модернизация системы питания автомобиля, в результате которой были внедрены новые технические решения, направленные на повышение общей экономичности бензинового двигателя. При этом наибольший эффект был достигнут благодаря замене карбюратора инжекторными устройствами, применению электронных систем зажигания и микропроцессоров, с высокой точностью регулирующих количество топлива, поступающего в цилиндры, а также момент зажигания в зависимости от режима нагрузки. Эти нововведения, позволившие существенно сократить удельный расход топлива и, соответственно, выбросы СО и углеводородов, поставили под сомнение экономическую целесообразность установки и эксплуатации газового оборудования. Кроме того, немногие владельцы были готовы мириться с ухудшением динамических характеристик своих автомобилей в режиме работы на газе. Дело в том, что в то время подача газа, как правило, осуществлялась во впускной коллектор через редуктор, пропускной способности которого хватало лишь в ограниченном диапазоне динамических нагрузок. К тому времени, когда на рынке появились надежные газовые инжек-

торы, успешно решавшие эту проблему, благоприятная возможность для расширения спроса была упущена.

В настоящее время привлекательность газообразного топлива как альтернативы бензину постоянно возрастает в связи с увеличением доли газа в мировом энергетическом балансе. С 2008 г. наблюдается устойчивый ежегодный прирост потребления газа в среднем на 1,6%, и ожидается, что эта тенденция сохранится до 2035 г. Сейчас во всем мире на сжиженном газе эксплуатируется порядка 13 млн единиц автомобильной техники (табл. 1). На страны, занимающие семь верхних строк этой таблицы, приходится почти 3/4 этого парка, что объясняется достаточно низким уровнем цен на газ в этих странах по сравнению с жидким топливом. Россия, являющаяся одним из ведущих поставщиков газа на мировом рынке, занимает в этом списке одну из самых низких позиций. Одной из причин, тормозящих расширение парка автомобилей, работающих на газовом топливе, является то, что автопроизводители избегают работать в этом сегменте. Так, в США на рынок поставляется всего лишь одна модель такого автомобиля (Honda Civic CNG). Обычно автотранспортные предприятия (реже частные владельцы) по своей инициативе устанавливают оборудование, позволяющее эксплуатировать автомобиль как на жидком, так и на газообразном топливе. Следует добавить, что в США и других странах осуществляется продажа комплектов соответствующего оборудования, однако затраты на их приобретение, установку и официальную регистрацию, как правило, не окупаются в течение приемлемого срока, в том числе ввиду жестких требований к безопасности, действующих в странах Запада.

Модернизация бензинового двигателя для работы на двух видах топлива не требует существенных изменений конструкции. Для этого достаточно установить блок управления инжекторами с переключателем режима работы «бензин-газ», баллон, оснащенный заправочным клапаном и клапаном расхода газа, теплообменник с подогревом от системы охлаждения и газовый редуктор, а также врезать во впускной коллектор один или несколько (два или по числу цилиндров) инжекторов газа. Одним из неудобств при эксплуатации газобензиновых двигателей является то, что запуск холодного двигателя может осуществляться только в бензиновом режиме. Дело в том, что редуктор рассчитан на нормальную работу с газообразной фракцией. Поэтому до поступления в редуктор сжиженный газ испаряют в теплообменнике за счет теплового контакта с нагретой охлаждающей жидкостью. Кроме того, запуск в зимнее время может быть осложнен из-за низкого давления в баллоне. Это, как правило, происходит из-за невыполнения технических требований поставщиками сжиженного газа, в результате чего доля летучей (пропа-новой) фракции в топливе, предназначенном для зимней эксплуатации, часто бывает занижена.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 13 (153) 2014

© Scientific Technical Centre «TATA», 2014

Что касается дизельных двигателей, то их перевод на сжиженный газ требует выполнения значительного объема работ. При этом существует два варианта, один из которых предусматривает последующую работу ДВС в смешанном (газодизельном) режиме, когда необходимое для работы топливо подается как через штатную систему питания в виде дизельного топлива, так и в виде газа - через воздушный коллектор. Доля дизельного топлива может изменяться в широких пределах, но она должна быть не менее так называемой «запальной дозы», обеспечивающей стабильное воспламенение топливно-воздушной смеси и составляющей величину порядка 10-15% [8].

Второй вариант не оставляет ДВС возможности работать на жидком топливе и требует внесения существенных изменений в его конструкцию. В этом случае штатную систему питания демонтируют, производят декомпрессию двигателя путем установки дополнительной прокладки между блоком и головкой (или замены штатной прокладки более толстой), системы зажигания на основе искровых свечей, а также комплекта газобаллонного оборудования, который, в отличие от первого варианта, должен содержать устройство предпускового подогрева для перевода части сжиженного газа в паровую фазу.

Список жидких альтернативных топлив содержит три позиции: биоэтанол, предназначенный для замещения бензина, и два вида биотоплива, которые могут использоваться для питания дизельных двигателей, - «биодизель» и композитное минерально-органическое биотопливо (КМОБТ).

Под биоэтанолом понимают обычный этиловый спирт, произведенный любым известным промышленным способом из возобновляемого (преимущественно растительного) сырья. Наиболее критичным параметром, отличающим топливный биоэтанол от других спиртов, является жестко нормируемое предельно допустимое содержание влаги. В России топливный этанол производится, в частности, по ГОСТ Р 53200-2008 ТУ «Денатурированный топливный биоэтанол», в составе которого допускается наличие воды не более 1%. В качестве денатурирующей добавки, доля которой может находиться в пределах от 1 до 5%, обычно используют бензин, поскольку биоэтанол исключительно редко применяется иначе чем в виде добавки к неэтилированному бензину. Технология производства концентрированного спирта насчитывает многие десятки лет, поэтому ее подробное описание не приводим. Следует лишь отметить, что условно можно выделить три промышленных метода получения спирта, два из которых основаны на переработке сахаридов, содержащихся в растительной биомассе, анаэробными микроорганизмами - дрожжами. Технология, основанная на таком сырье, наиболее отработана и не требует сложной предварительной подготовки биомассы к проведению процесса брожения. По имеющимся данным, самую низкую себестоимость имеет этанол, произведенный из маниоки - около 8 руб./л (в «бензиновом эквивален-

те»). К сожалению, эта культура произрастает в тропической зоне и не переносит климата средней полосы РФ. Зато Россия располагает огромным ресурсом растительной биомассы в виде отходов лесозаготовки и деревообработки. Чтобы получить этанол из древесины, ее предварительно подвергают гидролизу, который происходит при повышенной температуре и давлении под действием серной кислоты, концентрацию которой выбирают в зависимости от особенностей производственного цикла. В результате такого воздействия целлюлоза «осахаривается», что приводит к разрыву длинных молекул с образованием полисахаридов с небольшим числом звеньев. Спирт, произведенный по этой технологии, называют «гидролизным».

Третья технология основана на методах каталитического синтеза из низкомолекулярных компонентов. В частности, этанол может быть получен в реакции гидратации этилена. В промышленности используют сернокислотную гидратацию и прямую гидратацию водяным паром в присутствии фосфорной кислоты в качестве катализатора. В свою очередь, этилен может быть получен в результате пиролиза растительного сырья. Данный способ не получил в настоящее время широкого распространения.

Наиболее распространенными марками топлива, содержащего биоэтанол, являются смеси марок Е5, Е7, Е10 с массовой процентной долей спирта 5, 7 и 10 соответственно. Эксплуатация автомобилей на биоэтаноле марок с высоким содержанием спирта (Е85, Е95, Е100) требует установки специальных двигателей класса «Flex-Fuel», модифицированных для работы в обоих режимах (на бензине и на смесях с высоким содержанием этанола).

Добавление этанола в бензин позволяет отказаться от применения метил-трет-бутилового эфира (МТБЭ) - оксигенерирующего компонента, повсеместно используемого для повышения октанового числа.

Существенным недостатком биоэтанола является его повышенная гигроскопичность, вследствие которой в бензобаке может накапливаться влага. Во избежание проблем, обусловленных замерзанием воды в трубопроводах и арматуре топливной системы в зонах с холодным климатом, на автосредствах применяют дополнительные емкости для хранения биоэтанола высокой концентрации (Е85, Е95, Е100). При этом подачу этанола и бензина в ДВС осуществляют раздельно, регулируя процентную долю этанола в требуемых пределах. Это, безусловно, усложняет конструкцию автомобиля и требует дополнительных капиталовложений. С другой стороны, окупаемость установки такой системы может обеспечить возможность применения дешевого бензина с более низким октановым числом.

В последнее время для оценки энергетической эффективности топлива все чаще применяется показатель, называемый «энергетическим балансом», который равен отношению энергии, получаемой при его сжигании, к суммарным затратам энергии на его

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 13 (153) 2014 © Научно-технический центр «TATA», 2014

производство, включая разведку и добычу сырья (для возобновляемого сырья - энергоемкость полного цикла производства), его подготовку и переработку, транспортировку, утилизацию отходов и т. п. По разным оценкам, энергетический баланс этанола оценивается величиной от 1,24 (при производстве из зерновых) до 8 (из сахарного тростника). Для гидролизного этанола, при условии утилизации отходов растительной массы (багассы) в виде топливных брикетов, он достигает величины, примерно равной 2.

Экологическая эффективность использования биотоплив, к которым относят предназначенные для получения различных видов энергии горючие материалы, приготовленные на основе возобновляемого сырья, складывается из нескольких факторов. В глобальном аспекте положительный эффект биотоплива, как правило, оценивают по его вкладу в сохранение баланса углекислого газа в атмосфере. Так, по оценкам, проведенным в США, применение биоэтанола, произведенного из зерновых, позволило к 2007 г. снизить выбросы С02 на 19%, что эквивалентно годовому объему выхлопных газов более 1 млн автомобилей. Еще более весомых результатов позволяет достичь использование в технологическом процессе топлива из растительной (например древесной) биомассы. Для этого случая расчетный потенциал снижения составляет величину порядка 80%.

Следует иметь в виду, что наряду с двуокисью углерода при сжигании любого топлива (включая водород) в атмосферу могут поступать и другие вредные вещества, в частности, окислы азота. Поэтому более универсальным методом учета ущерба для окружающей среды мог бы стать метод его оценки по суммарному потреблению кислорода из атмосферы на всех стадиях производства и использования данного вида топлива. Основы такого подхода рассмотрены в работах [9, 10].

БДТ является экологически менее вредной альтернативой дизельному топливу минерального происхождения. Это биотопливо представляет собой композицию метиловых эфиров жирных кислот (МЭЖК) растительного или животного происхождения, которая в чистом виде (марка В100) используется достаточно редко, поскольку требует значительной доработки топливной системы ДВС. Марки БДТ (В5, В10), содержащие, соответственно, 5 и 10% МЭЖК в стандартном дизельном топливе, предназначены для эксплуатации обычных серийных двигателей без какой-либо доработки. Как правило, МЭЖК получают методом переэтерификации жирных кислот одноатомным спиртом (метиловым или реже этиловым) в присутствии катализатора: гомогенного (щелочного) или гетерогенного. Побочным продуктом является глицерин. Катализатор, в качестве которого обычно используется щелочь, необходим для понижения энергетического барьера реакции. Энергетический баланс БДТ, произведенного из соевого масла по стандартной технологии, оценивается величиной, примерно равной 3 единицам.

Стандартному процессу производства с использованием щелочного катализатора свойственен ряд недостатков. Так, щелочные катализаторы, с одной стороны, обладают высокой селективностью, с другой - вызывают омыление свободных жирных кислот (СЖК) в присутствии воды вследствие гидролиза. Повысить выход МЭЖК при переработке сырья с высоким содержанием СЖК удается введением предварительной стадии их преобразования в мети-лэфиры посредством кислотного катализатора. Однако связанные с этим производственные затраты не окупаются даже с учетом низких закупочных цен на отработанные пищевые масла. Наличие дешевого сырьевого ресурса в виде отработанных масел, постоянно растущие объемы которых обостряют проблему их безопасной и экономически эффективной утилизации, явилось одним из движущих факторов в поиске новых методов их переработки. Так, время стандартного процесса может составлять до 4-6 часов в зависимости от температуры. При этом есть предел повышения интенсивности реакции путем увеличения температуры, который обусловлен относительно низкой точкой кипения спиртов. В некоторых случаях используют реакторы повышенного давления с целью удержания спирта в жидкой фазе при высокой температуре, благодаря чему удается уменьшить длительность цикла до десятков минут. По нашему мнению, наиболее перспективным из них является метод, основанный на уникальных свойствах вещества в сверхкритическом (СК) состоянии [11].

Известно, что для каждого устойчивого в определенном диапазоне внешних условий вещества существует предельная температура Тс, называемая «критической», выше которой оно не может существовать в конденсированной фазе ни при каком, даже очень высоком, давлении. Материя в СК состоянии представляет собой нечто среднее между жидкостями и газами и обладает очень высокими значениями коэффициента диффузии, что определяет ее ано-

П!

мально высокую проникающую и растворяющую способность, которая возрастает при повышении давления. Это явление может быть использовано при разработке новых технологий. В СК методе МЭЖК получают этерификацией жиров различного происхождения сверхкритическим метанолом. Как известно, метанол переходит в СК состояние при температуре 240 °С, для чего необходимо относительно невысокое давление (7,85 МПа), достижение которого в промышленных условиях не представляет особой сложности. К преимуществам данной технологии следует отнести возможность отказаться от применения как щелочных, так и кислотных катализаторов. Это подтверждено экспериментальными исследованиями [12], в которых проводилась этерификация растительных масел с различным (2, 5-6 и >20) процентным содержанием СЖК. Выход МЭЖК для всех видов сырья, кроме отходов пальмового масла, чуть выше, чем в стандартных технологиях, использую-

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 13 (153) 2014

© Scientific Technical Centre «TATA», 2014

щих щелочные и кислотные катализаторы, и составляет 98,5-98,9%. При использовании отходов пальмового масла, содержавших более 20% СЖК и более 60% воды, выход МЭЖК приближается к 96%, в то время как при применении одной из двух указанных выше стандартных технологий МЭЖК не получались вовсе. Высокая интенсивность химических реакций в присутствии СК растворителя, в качестве которого выступает метанол, объясняется существенным повышением степени ионизации с ростом давления. При этом ионизированный метанол, являясь одним из двух реагентов, одновременно выполняет функцию кислотного катализатора. В этих условиях полное преобразование жирных кислот происходит за очень короткое время (в пределах 3-10 мин). Согласно исследованиям, этерификация жирных кислот происходит практически полностью и при использовании других одноатомных спиртов (метанола, этанола, пропанола, бутанола, октанола) в СК состоянии, однако время реакции увеличивается с ростом длины алкильной цепочки спирта.

Немаловажным преимуществом СК метода является отсутствие на выходе реактора продуктов омыления, что значительно упрощает стадию отделения МЭЖК от глицерина, который остается в водной фракции в нижней части приемного резервуара.

Следует отметить, что имеющиеся наработки в области ресурсосберегающих технологий производства биодизеля до настоящего времени остаются невостребованными в силу отсутствия коммерческого интереса частных инвесторов. Дело в том, что значительную долю в себестоимости МЭЖК составляет сырье, т. е. растительные масла различных видов, подавляющее большинство которых имеет также и пищевое применение. Поэтому даже существенное удешевление технологии за счет модернизации производственного цикла не будет достаточно эффективным по сравнению с выигрышем, который может дать применение более дешевых растительных масел.

Вместе с тем существуют технологические решения, обеспечивающие ощутимый экологический эффект при эксплуатации дизельных ДВС, не требующие больших материальных затрат на производство моторного топлива. Одним из таких решений является добавление растительных масел в стандартное дизельное топливо, что позволяет исключить достаточно сложный процесс этерификации, используемый при производстве БДТ, и все связанные с ним издержки. В подтверждение целесообразности такого подхода можно привести в целом положительные результаты стендовых испытаний, проведенных за рубежом и в России [13]. Было установлено, что при работе ДВС на композитном минерально-органическом биотопливе (КМОБТ) в виде смеси дизельного топлива и рапсового масла в соотношении 4:1 содержание вредных веществ в выхлопных газах значительно снижается по сравнению с применением стандартного топлива. Уменьшение выбросов легких углеводородов составляет более 35%, окислов азота

- 4%, сажи - 36%. Имеются данные, свидетельствующие о том, что применение этой смеси также способствует примерно двукратному уменьшению концентрации канцерогенных веществ.

Одним из наиболее серьезных недостатков упомянутых выше технологий приготовления аналогов дизельного топлива является то, что в качестве исходного возобновляемого биоорганического компонента используется сырье, имеющее также и пищевое назначение. В настоящее время во всем мире ведутся работы по широкому вовлечению в биотопливную отрасль ресурсов непищевого сырья. Биотоплива, произведенные из такого сырья, относят к биотопливам 2-го поколения. (В частности, этанол, полученный из древесных отходов, на полном основании может считаться биотопливом второго поколения.) Поскольку практически все известные масличные культуры используются в производстве продуктов питания, найти им замену для применения в технологиях приготовления БДТ среди обычных растений не удалось. В этой связи внимание исследователей привлекли водные фотосинтезирующие организмы, в частности микроводоросли (МВ) [14], среди которых встречаются виды с очень высоким содержанием липидов. Ввиду их особого положения и значения биотоплива на основе МВ были выделены в отдельную категорию - биотоплива 3-го поколения. Однако МВ с высоким содержанием жиров не приспособлены к климатическим условиям большинства регионов РФ, а их культивирование в искусственных условиях требует больших энергозатрат, несопоставимых с той энергией, которую можно из них получить после конверсии в биотопливо.

Нами разрабатывается концепция комплексного использования биомассы таких штаммов МВ, которые выведены на основе аборигенных видов, обитающих в водоемах средней полосы, и имеют неоспоримые преимущества при выборе сырьевого ресурса при организации промышленного производства. Экспериментально исследована возможность создания технологии приготовления биотоплива 3-го поколения для дизельных ДВС на основе масляного экстракта МВ и стандартного дизельного топлива [15, 16]. Основным требованием к технологическому методу и комплексу оборудования для его реализации была высокая удельная производительность при минимальных удельных энергетических затратах.

Были получены образцы КМОБТ с содержанием масляного экстракта МВ 5, 10, 25 и 50%. Экстракция производилась методом ультразвуковой кавитацион-ной обработки, обеспечивающей высокую степень извлечения целевого компонента из фитомассы. Гомогенизация смеси также проводилась ультразвуковым методом, что позволяет создавать комплексы производственного оборудования для проведения основных технологических операций на основе однотипных модулей. КМОБТ 3-го поколения превосходит стандартное дизельное топливо по таким параметрам, как температура помутнения, температура

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 13 (153) 2014 © Научно-технический центр «TATA», 2014

застывания, оно содержит меньше серы и значительно меньше фактических смол, являющихся основной причиной выброса сажи и образования нагара при работе двигателя.

Третью группу альтернативных топлив составляют аналоги углеводородных топлив, приготовленные из газифицированного возобновляемого органического сырья, - синтетический биобензин и синтетическое биодизельное топливо.

Разработка технологий синтеза жидких углеводородов из газов ведется с 20-х годов прошлого столетия. Начало ее промышленного освоения было положено открытием немецких химиков Ф.Фишера и Г.Тропша, впервые синтезировавших жидкие предельные углеводороды из водорода и моноокиси углерода на гетерогенных катализаторах, приготовленных на основе железа и кобальта. Реакция с применением кобальтового катализатора протекает с выделением воды, в то время как на железном катализаторе выделяется углекислый газ:

nCO + (2n +1) H2 2nCO + (n+1) H2

Fe

Co

» C„H2„+2 + «H2O

* C„H2„+2 + «CO2.

Таблица 2

Сравнительная характеристика альтернативных моторных топлив

Table 2

Comparative indicators of alternative ICE fuels

В настоящее время используют более эффективные катализаторы на основе никеля и редкоземельных металлов (рутений и т. п.), нанесенные на пористые носители (силикагель, глиноземы). Физико-химические параметры бензина и дизельного топлива, синтезированных газов могут быть практически идентичными их прототипам нефтяного происхождения. В качестве примера коммерческого использования технологий, основанных на процессе Фишера - Тропша, можно привести производство малосернистого дизельного топлива из природного газа компанией Shell в Бинтулу (Малайзия).

В 2000-2006 гг. Евросоюз профинансировал в рамках приоритетного направления «Устойчивое развитие, глобальное изменение климата и экосистемы» программы FP6 ограниченное число проектов по разработке технологий приготовления биотоплив из синтез-газа по методу Фишера - Тропша. В качестве исходного сырья рассматривалась возобновляемая растительная биомасса (преимущественно лиг-ноцеллюлоза), подвергнутая высокотемпературному пиролизу (газификации) для получения основных компонентов синтез-газа (CO и H2). Это явилось косвенным свидетельством признания технологии «быстрого» пиролиза тупиковым направлением в плане производства жидких моторных биотоплив непосредственно из древесного сырья. Разразившийся в 2008 г. кризис мировой экономики заставил не только свернуть эти исследования, но и в значительной мере пересмотреть амбициозные директивы ЕС [17], предусматривавшие увеличение доли возобновляемого органического сырья в общем объеме производства горючего для автомобильного транспорта в сторону уменьшения.

Вид альтернативного топлива Сохранение кислородного баланса Использование непищевого сырья Экологичность производства Энергетический баланс Рентабельность Универсальность применения

СУВ - ++ - - ++ -

Природный газ - ++ - - ++ -

Биогаз, пиролизный газ ++ ++ - + + - -

Биоводород + ++ - - - - -

Биоэтанол зерновой + - - + - +

Биоэтанол гидролизный + + — ++ - - +

Биодизель стандартный + - — + — +

Биодизель из МВ + + — - --- +

КМОБТ + + + + + +

Синтетические моторные биотоплива ++ ++ - - --- +

Сравнительная характеристика рассмотренных нами альтернативных моторных топлив (табл. 2) позволяет провести качественный анализ преимуществ и недостатков каждого из них и сделать некоторые выводы относительно условий, выполнение которых необходимо для их широкого применения на ближайшую перспективу. Символами «+» и «-» обозначены, соответственно, преимущества и недостатки данного вида топлива в соответствующей категории, а их количество указывает на степень важности преимущества или проблемы.

Первые три характеристики в табл. 2 относятся к возможному влиянию конкретного вида топлива на глобальные изменения климата, экологическую ситуацию в местах его производства и применения, а также на продовольственную безопасность и равновесие сложившихся экосистем. Именно эти аспекты, судя по существующим тенденциям в законодательстве и автостроении, являются приоритетными в наши дни.

В табл. 2 используется понятие «кислородный баланс», вводимое нами впервые, как более наглядное, по сравнению с понятием «баланс углекислого газа», с точки зрения учета потребления мировых ресурсов (а не эмиссии связанных с ним веществ).

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 13 (153) 2014

© Scientific Technical Centre «TATA», 2014

Кроме того, новое понятие учитывает также выбросы других окислов (азота, серы и т. д.) при сжигании топлива.

По этому показателю наиболее предпочтительными являются газообразные топлива, приготовленные из возобновляемого растительного сырья (пиро-лизный газ, биогаз), а также произведенные на их основе синтетические биотоплива. Применение всех остальных жидких топлив, перечисленных в табл. 2, способствует сохранению кислородного баланса лишь в той мере, в какой возобновляемые органические компоненты присутствуют в их составе. Реально доля таких компонентов при эксплуатации массово выпускаемых ДВС не превышает 20%. Что касается биоводорода, то ввиду отсутствия в настоящее время компактных надежных бортовых водородных аккумуляторов его применение в обозримом будущем может быть целесообразным лишь в комбинированном (газодизельном или газобензиновом) режиме. К биотопливам, производство которых не приводит к нарушению структуры сельхозпроизвод-ства за счет оттока продукции пищевого и фуражного назначения в топливно-энергетическую сферу потребления, безусловно, относятся все перечисленные в табл. 2 газообразные топлива, сжиженные углеводороды, а также синтетические моторные биотоплива. В группе жидких биотоплив этому критерию совершенно не соответствуют зерновой биоэтанол и биодизель, произведенный по широко распространенной технологии. Некоторое (до 20%) замещение пищевого сырья обеспечивают гидролизный биоэтанол, композитное биотопливо и биодизель 3-го поколения.

С точки зрения вреда, наносимого окружающей среде, на стадии производства наиболее опасными являются гидролизный этанол и биодизель, получаемый с помощью щелочных и кислотных катализаторов. Наименьшее воздействие на окружающую среду оказывает технология приготовления КМОБТ, так как она основана на низкотемпературных энергосберегающих процессах и не использует веществ высокой токсичности. Ввиду того, что имеющиеся сведения по энергетическому балансу весьма ограничены, в табл. 2 дана субъективная оценка по большинству позиций. Из опубликованных сведений известно, что наиболее высоким энергетическим балансом облада-

ет биоэтанол, при производстве которого отходы биомассы утилизируют сжиганием с целью обеспечения энергоемких операций.

Следующий параметр отражает соотношение производственных затрат и цены реализации биото-плив. В этом аспекте ни один из перечисленных видов жидкого биотоплива не удовлетворяет условиям рентабельности производства, что, как правило, объясняется высокой стоимостью возобновляемого органического сырья. Особенно высокие расходы связаны с производством биодизеля 3-го поколения из микроводорослей, выращенных в искусственных условиях. Стоимость 1 л такого моторного топлива может превышать 5 долл. США [14]. Синтетические моторные биотоплива нерентабельны в силу сложности многостадийного технологического процесса. Поэтому в условиях отсутствия действующей национальной программы и нормативных документов по реализации эффективных мер экономического стимулирования природный газ и СУВ остаются безальтернативными видами моторного топлива, обеспечивающими минимизацию экологического ущерба от их применения. В то же время специфика их применения требует дополнительных капитальных затрат, связанных с переоборудованием серийно выпускаемых ДВС. Этого недостатка лишены композитные биотоплива. Кроме того, производство КМОБТ не требует сложного энергоемкого оборудования, что в будущем может обеспечить вполне приемлемый уровень рентабельности. Однако, ввиду недостаточного объема экспериментальных данных, широкому использованию КМОБТ должно предшествовать углубленное исследование их влияния на ресурс ДВС.

Проведенный анализ свидетельствует о наличии громадного нереализованного потенциала минимизации экологического давления на окружающую среду в сфере автотранспорта в виде прежде всего природного газа и СУВ, а также некоторых видов биотоплив, приготовленных на основе возобновляемого органического сырья. При этом следует отметить, что по эффективности данные решения в экологическом аспекте не уступают концепции электропривода, которая в настоящее время доминирует как среди производителей, так и среди потребителей автотранспортных средств.

Список литературы

1. Мацкерле Ю. Водород и возможности его применения в автомобиле. В сб. Современный экономичный автомобиль = Automobil s lepsi ücinnosti / Пер. с чешск. В.Б. Иванова; Под ред. А.Р. Бенедиктова. М.: Машиностроение, 1987. С. 273-282.

2. Накоряков В.Е., Розенберг Ж.И. Водородная энергетика // Наука в Сибири. 2003. № 46 (2432).

3. Somerville C. Development of Cellulosic Biofuels. US Dep. Of Agriculture. Retrieved on December 5 2008.

References

1. Mackerle Û. Vodorod i vozmoznosti ego primeneniâ v avtomobile. V sb. Sovremennyj èkonomicnyj avtomobil' = Automobil s lepsi ûcinnosti / Per. s cessk. V.B. Ivanova; Pod red. A.R. Benediktova. M.: Masinostroenie, 1987. S. 273-282.

2. Nakorâkov V.E., Rozenberg Z.I. Vodorodnaâ ènergetika // Nauka v Sibiri. 2003. № 46 (2432).

3. Somerville C. Development of Cellulosic Biofuels. US Dep. Of Agriculture. Retrieved on December 5 2008.

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 13 (153) 2014 © Научно-технический центр «TATA», 2014

4. 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.

5. Eastwood G. The Biofuels Market Outlook. Market drivers, growth opportunities and regulatory change. N.Y. Business Insights Ltd. 2007. P. 27.

6. Лачуга Ю.Ф., Измайлов А.Ю., Жалнин Э.В. Потенциал биоэнергетики в России // Вестник Орловского гос. аграрного у-та. 2007. Вып. № 6. Т. 9. С. 34-37.

7. ГОСТ 27578-87. Газы углеводородные сжиженные для автомобильного транспорта.

8. Апкаров И.А., Дорохов А.Ф., Музаев А.А. Газодизельный цикл как основа моторной энергетики малого и среднего производственного предпринимательства в сельском хозяйстве и рыболовстве // Вестник АГТУ. Сер. Морская техника и технология. 2010. № 2. С. 47-51.

9. Систер В.Г., Иванникова Е.М., Чирков В.Г., Кожевников Ю. А. Использование микроводорослей в энергогенерирующих циклах, потребляющих жидкое углеводородное топливо ископаемого происхождения // Альтернативная энергетика и экология -ISJAEE. 2013. № 9. С. 36-41.

10. Систер В.Г., Иванникова Е.М., Плотников С.П., Чирков В.Г., Росс М.С. Использование адаптивных свойств микроводорослей при производстве фитомассы биотопливного назначения // Экология и промышленность России. 2012. № 7. С. 18-21.

11. Систер В.Г., Иванникова Е.М. Экспериментальное исследование процесса переэтерификации рапсового масла метанолом в сверхкритических условиях // Альтернативная энергетика и экология -ISJAEE. 2012. № 11 (115). С. 32-36.

12. Kusdiana D., Saka S. Biodiesel fuel from rapeseed oil as prepared in supercritical methanol. 1st World Conference on Biomass for Energy and Industry, Vol. 1, pp. 563-566, (Sevilla, Spain, 5-9 June, 2000).

13. Марков В.А., Грайвороновский А.И., Девянин С.Н., Пономарев Е.Г. Рапсовое масло как альтернативное топливо для дизеля // Автомобильная промышленность. 2006. № 2. С. 482-484.

14. Росс М.Ю., Стребков Д.С. Биодизельное топливо из водорослей / Под ред. д-ра хим. наук, проф. Щекочихина Ю.М. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2008.

15. Систер В.Г., Иванникова Е.М., Чирков В.Г., Кожевников Ю.А. Приготовление композитных котельных и моторных биотоплив из альгамассы // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE. 2013. № 1-2. С. 103-107.

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

17. Directive 2003/30/EC of the European Parliament and of the Council of 8 May 2003 on the promotion of the use of bio-fuels or other renewable fuels for transport.

4. АCegu ZA., Korotkova T.G., Konstantinov E.N. Proizvodstvo spirta dla motornogo biotopliva. Mater. Vseros. naucno-prakt. konf. Celabinsk: Izd-vo UUrGU, 2007. S. 14-16.

5. Eastwood G. The Biofuels Market Outlook. Market drivers, growth opportunities and regulatory change. N.Y. Business Insights Ltd.2007. P. 27.

6. Lacuga U.F., Izmajlov А.й., Zalnin E.V. Potencial bioenergetiki v Rossii // Vestnik Orlovskogo gos. agrarnogo u-ta. 2007. Vyp. № 6. T. 9. S. 34-37.

7. GOST 27578-87. Gazy uglevodorodnye szizennye dla avtomobil'nogo transporta.

8. Аpkarov IA., Dorohov АЕ., Muzaev А.А. Gazodizel'nyj cikl kak osnova motornoj energetiki malogo i srednego proizvodstvennogo predprini-matel'stva v sel'skom hozajstve i rybolovstve // Vestnik АGTU. Ser. Morskaa tehnika i tehnologia. 2010. № 2. S. 47-51.

9. Sister VG., Ivannikova E.M., Cirkov V.G., Kozevnikov й.А. Ispol'zovanie mikrovodoroslej v energogeneriruusih ciklah, potreblausih zidkoe uglevodorodnoe toplivo iskopaemogo proishozdenia // Аl'ternativnaa energetika i ekologia - ISJAEE. 2013. № 9. S. 36-41.

10. Sister V.G., Ivannikova E.M., Plotnikov S.P., Cirkov V.G., Ross M.S. Ispol'zovanie adaptivnyh svojstv mikrovodoroslej pri proizvodstve fitomassy biotoplivnogo naznacenia // Ekologia i promyslennost' Rossii. 2012. № 7. S. 18-21.

11. Sister V.G., Ivannikova E.M. Eksperimental'noe issledovanie processa pereeterifikacii rapsovogo masla metanolom v sverhkriticeskih usloviah // А^т^^шй energetika i ekologia - ISJAEE. 2012. № 11 (115). S. 32-36.

12. Kusdiana D., Saka S. Biodiesel fuel from rapeseed oil as prepared in supercritical methanol. 1st World Conference on Biomass for Energy and Industry, Vol. 1, pp. 563-566, (Sevilla, Spain, 5-9 June, 2000).

13. Markov VA., Grajvoronovskij А.1, Devanin S.N., Ponomarev E.G. Rapsovoe maslo kak al'ternativ-noe toplivo dla dizela // Аvtomobil'naa promyslennost'. 2006. № 2. S. 482-484.

14. Ross M.fr, Strebkov D.S. Biodizel'noe toplivo iz vodoroslej / Pod red. d-ra him. nauk, prof. Sekocihina йМ. M.: GNU VIESH, 2008.

15. Sister V.G., Ivannikova E.M., Cirkov V.G., Kozevnikov й.А. Prigotovlenie kompozitnyh kotel'nyh i motornyh biotopliv iz al'gamassy // Аl'ternativnaa energetika i ekologia - ISJAEE. 2013. № 1-2. S. 103-107.

16. Sokolov V.V., Lukso VA., Terencenko А^., Izvekov D.V., Sister V.G., Ivannikova E.M. Аnaliz fi-ziko-himiceskih i himmotologiceskih svojstv obrazcov biodizel'nyh topliv // Himiceskoe i neftegazovoe masinostroenie. 2008. № 11. C. 42-44.

17. Directive 2003/30/EC of the European Parliament and of the Council of 8 May 2003 on the promotion of the use of bio-fuels or other renewable fuels for transport.

Транслитерация по ISO 9:1995

с---* — TATA — LXJ

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 13 (153) 2014

© Scientific Technical Centre «TATA», 2014