Биодизель

История биологического дизтоплива

Текущее производство биодизеля в США в основном строится на соевых бобах или переработанном растительном масле из ресторанов

Идея создания биотоплива на удивление стара. Рудольф Дизель, чье изобретение теперь носит его имя, рассматривал растительное масло в качестве источника топлива для своего двигателя. Большая часть его ранних работ вращалась вокруг применения биотоплива. Например, в 1900 году на Всемирной выставке в Париже, Франция, Дизель продемонстрировал свой двигатель, запустив его на арахисовом масле. Точно так же Генри Форд ожидал, что его Модель Т будет работать на этаноле, кукурузном продукте. Закончилось все тем, что, как в случае с дизелем, так и с фордом, нефть оказалась самым логичным источником топлива. Такой выбор основывался на предложении, цене и эффективности нефти, в отличие от альтернативных источников топлива в те годы, когда технологии отставали от современных. Хотя это не было обычной практикой, растительные масла уже использовались как дизельного топливо в 1930-х и 1940-х годах.

В 1970-х и 1980-х годах, после прохождения Закона о чистом воздухе в 1970 году, идею применения биотоплива вновь рассмотрели в США. Это позволило Агентству по охране окружающей среды США (EPA) тщательней регулировать нормы выбросов загрязняющих веществ автомобилями. Автоконцерны начали ломать голову над тем, как снизить в выбросах уровень диоксида серы, оксида углерода, озона и оксида азота (NOx). Это заложило основу для разработки более чистых видов топлива и устанавливало экологические требования для присадок к топливу.

События за рубежом, такие как арабское нефтяное эмбарго 1973-1974 годов и иранская революция 1978-1979 годов в сочетании со снижением добычи нефти внутри страны, стали катализатором роста цен на “черное золото”. По данным Управления энергетической информации Министерства энергетики США, импорт сырой нефти из США сократился на 30% во время эмбарго. Мировые цены на сырую нефть подскочили примерно с 14 долларов за баррель в начале 1979 года до более чем 35 долларов за баррель в январе 1981 года, когда наметилась стабилизация. Цены существенно не падали до 1983 года, когда мировая цена закрепилась между 28 и 29 долларами за баррель.

С ростом цен на нефть начался поиск других источники топлива. В августе 1982 года в Фарго, Северная Дакота, проведена первая Международная конференция по растительным и овощным маслам. На этой конференции рассматривались вопросы от цены на топливо до влияния растительного масла на топливные добавки и методы экстракции.

В 1990 году в Закон о чистом воздухе внесли поправки, включающие строгие ограничения на выбросы автотранспортных средств. Поправки ввели положения о повышенном содержание кислорода в бензине (что снижает выбросы окиси углерода) и пониженном содержании серы в дизельном топливе.

В 1992 году Агентство по охране окружающей среды США приняло Закон об энергетической политике или EPACT. Целью закона было увеличение количества альтернативного топлива, на котором передвигался бы транспортный парк правительства США, чтобы уменьшить зависимость от иностранной нефти. Поправка EPACT 1998 года предписывала правительственным организациям использовать биодизельное топливо в существующих правительственных дизельных транспортных средствах. Поправка была нацелена на исключение траты дополнительных финансов на покупку транспорта на альтернативном топливе, как это предусматривал первоначальный EPACT.

С учетом этих правил и положений любая жизнеспособная нефтяная альтернатива сможет быстро найти свое место в экономике государства. Но наряду с достоинствами биодизель имеет и недостатки, понижающие его преимущество над бензином.

Как производят биодизельное топливо

По своей структуре биодизель представляет собой смесь метиловых или этиловых эфиров высших ненасыщенных и жирных кислот. В основном это метиловый эфир, образовавшийся в результате химической реакции — этерификации растительных масел или переэтерификации жиров (животных и кормовых).

Получение биодизеля стало альтернативой другим способам использования масла и жира в качестве моторного топлива. Ранее их напрямую заливали в бак, но из-за этого топливная система выходила из строя. Причин много: происходило неполное сгорание горючего, при смешивании со смазкой ухудшались смазочные свойства топлива, а из-за повышенной вязкости масла на форсунках, кольцах и поршнях появлялись отложения.

Поскольку биодизель получают из масла, возникает логичный вопрос, почему нельзя использовать в дизельном двигателе именно растительные масла. Такое действительно имело место во многих странах, но здесь не избежать ряд проблем. Масло сгорает не полностью, поэтому не может долго применяться в обычных двигателях с непосредственным впрыском.

Сырьем для биодизеля может выступать любое растительное масло или животный жир. Самым дешевым является рапсовое масло, поэтому его используют чаще всего. Кроме того, оно имеет максимальный выход биотоплива. Со 150 гектаров земли, засаженной рапсом, можно получить более 180 тонн масла, из которого получится 198 000 литров биодизеля. Рапс распространен в европейских странах. В США используют сою, в Бразилии — касторовое масло, в Канаде — канолу (разновидность рапса), в Индонезии — пальмовое масло.

Завод по производству биодизеля

Кроме рапсового применяются:

• пальмовое,
• арахисовое,
• хлопковое,
• касторовое,
• подсолнечное,
• кунжутное,
• горчичное,
• кукурузное масла.

В зависимости от сырья выделяют биотопливо трех поколений:

• 1-го поколения — из сельскохозяйственных культур;
• 2-го поколения — из жиросодержащих отходов;
• 3-го поколения — из липидов микроводорослей.

В основе технологии производства биодизеля лежит процесс переэтерификации. Она происходит с применением определенного катализатора. Им выступает один из алкоголятов щелочных металлов — метилат натрия. Растительное масло — это сочетание триглицеридов (эфиров), соединенных с молекулой глицерина с трехтомным спиртом C3H8O3. Именно глицерин обеспечивает маслу вязкость. Для получения биотоплива этот глицерин нужно удалить, заместив спиртом. Такой процесс и называется этерификацией.

Таким образом, биодизель получают следующим способом:

• В реакторных колоннах смешивают очищенное от механических примесей масло и щелочной катализатор (метиловый спирт). Соотношение метанола и масла варьируется в пределах от 1:4 до 1:20.
• Производят нагрев смеси до 50-60 °C.
• Дают смеси отстояться и охладиться, в результате чего она делится на 2 фракции: легкую — сложный эфир (биодизель) с высоким цетановым числом (56-85, у минерального дизтоплива всего 50-52) и хорошей воспламеняемостью, тяжелую — глицериновую фазу, выступающую побочным продуктом во многих сферах.
• Метиловый эфир направляют на промывку, где подвергают дополнительной очистке от продуктов омыления, иначе топливо засорит фильтр и образует нагар и смолы в камере сгорания.
• На последнем этапе выполняют сушку метиловых эфиров. Избавление от воды имеет важное значение, поскольку она создает условия для развития в биодизеле микроорганизмов.

В процессе отстаивания смеси в качестве тяжелой фракции образуется именно глицериновая фаза. До глицерина ее еще необходимо довести, отправив в блок отгонки метанола, иначе могут возникнуть проблемы с хранением и утилизацией продукта из-за его повышенной щелочности и высокого содержания метанола.

Производство биодизеля

Технология производства

Биодизельное топливо может быть изготовлено из новых или отработанных растительных масел и животных жиров. Технологии производства биодизеля различны. Масла и жиры фильтруются и предварительно обрабатываются для удаления воды и загрязнений. После обработанные масла и жиры смешивают со спиртом и катализатором. Молекулы масла разрушаются, и превращаются в метиловые эфиры и глицерин, которые затем отделяются друг от друга и очищаются.

Наиболее сложная ступень получения биотоплива — расщепление молекул длинноцепочечных жирных кислот, соединённых молекулой глицерина. В ходе этого процесса используется катализатор (щёлочь), которая разрушает молекулы глицерина и объединяет каждую из жирнокислотных цепей с молекулой спирта. В результате происходит создание моноалкиловых или этиловых сложных эфиров, либо эфиров жирных кислот. В ходе этого процесса – переэтерификации — глицерин опускается на дно и удаляется.

Примерно половина производства биодизельного топлива может использовать любое углеводородное сырьё, содержащее жиры, даже переработанную смазку на растительных или органических компонентах. Другая половина выпускает биодизель исключительно из растительных масел. Соевое масло является в этом ряду преобладающим: в мире существует его перепроизводство, а излишки продукции способствуют снижению цены на это топливо. Цена биодизеля за литр – от 50 до 100 руб.

Чем биодизель отличается от дизеля

Поскольку биодизель используется в качестве аналога дизельного топлива, их часто сравнивают по основным характеристикам и свойствам. Разница наблюдается в составе, свойствах, возможностях применения.

Биодизель представляет собой многокомпонентное жидкое топливо, в основе которого смесь моноалкильных эфиров жирных кислот. В составе отсутствует нефть — это главное отличие. Но, несмотря на такой состав, биодизель можно смешивать с любой маркой дизтоплива. Причем полученное горючее может применяться во всех типах дизельных двигателях.

Немаловажно, что в продуктах сгорания биодизеля содержится:

• меньше серы — 0,005% против 0,2% для обычного дизеля;
• на 50% меньше сажи;
• на 8-10% меньше оксида углерода.

Фактически производство биодизеля регламентируется стандартом ГОСТ Р 53605–2009, соответствующем EN 14214:2003. Согласно этому документу, установлены следующие характеристики биодизеля:

• Массовая доля эфиров — 96,5%.
• Плотность при 15 °C — 860-900 кг/м3.
• Температура вспышки в закрытом тигле — 120 °C.
• Содержание серы — не более 10 мг/кг.
• Кинематическая вязкость —3,5-5 мм2/с.
• Цетановое число — 51.
• Общее содержание глицерина — 0,25%.

Биодизель как топливо имеет очень высокий уровень экологичности. Его применение в качестве горючего позволяет полностью устранить серные диоксиды и уменьшить количество двуокиси углерода в выхлопах на 80%, а также избавиться от их характерного запаха. К другим плюсам относятся:

• возможность применения в дизеле без присадок, стимулирующих воспламенение;
• предотвращение образования нагара;
• сгорание практически без токсичных отходов;
• отсутствие неприятного запаха;
• простота организации производства (можно развернуть его на базе небольшого фермерского хозяйства);
• почти полная безотходность (жмых, получаемый в процессе производства масла, используется в качестве корма для скота).

Биодизель биологически безопасен: безвреден для человека и окружающей среды, в случае утечки в течение 3 недель подвергается почти полному (99%) распаду без какого-либо ущерба. Это позволяет говорить о минимизации загрязнения рек и озер при переводе водного транспорта на биодизельное топливо. При попадании в воду продукт не причиняет вреда растениям и животным.

К преимуществам биодизеля относятся доступность и дешевизна сырья. В производстве можно использовать отходы любого сельского хозяйства. В ряде стран на завод поступает отработанное растительное масло из ресторанов, где оно применялось для приготовления разных блюд.

Производство биодизеля из растительного сырья позволило получить возобновляемый источник топлива. Причем ресурсы для изготовления быстро восстанавливаются. В то же время запасы нефти практически невосстановимы. Использование такого возобновляемого сырья особенно актуально для коллективных хозяйств, занимающихся переработкой масла. Из своих же отходов они могут производить качественное топливо, которое позволит им быть полностью автономными.

Если минеральное дизтопливо после очищения от сернистых соединений теряет свои смазочные свойства, то биодизель выступает хорошей смазкой, даже несмотря на меньшее содержание серы, чем в дизельном топливе. Это обусловлено тем, что в составе присутствует кислород. К примеру, один грузовик из Германии даже был внесен в Книгу рекордов Гиннеса, поскольку проехал со своим оригинальным двигателем на биодизеле более 1,25 млн км.

При работе на биодизельном топливе в ДВС одновременно производится смазка подвижных частей. За счет этого срок службы самого двигателя и топливного насоса в среднем увеличивается на 60%.

Ввиду высокой температуры воспламенения биодизель обеспечивает повышенную пожарную безопасность. Возгорание возможно только при высокой температуре. Биодизель же воспламеняется при значениях более 150 °C, поэтому его считают относительно безопасным веществом.  

При всех своих плюсах биодизель имеет минусы. Главным недостатком считают непродолжительный срок хранения. Он составляет всего 3 месяца. Еще к минусам биодизеля относится возможное агрессивное влияние на резиновые детали двигателя. Это связано с тем, что топливо проявляет свойства растворителя. Из других недостатков биодизеля можно отметить:

• недостаточную эффективность при низкой температуре;
• появление осадка при отрицательной температуре (образуются кристаллы воска, загрязняющие детали);
• агрессивность по отношению к лакокрасочному покрытию кузова (нельзя допускать, чтобы биодизельное топливо попадало на его поверхность).

Виды биодизельного топлива

В первую очередь биодизель классифицируется на виды в зависимости от сырья. Растительное масло сегодня уже не единственный вариант для получения биотоплива. Сегодня разрабатываются новые технологии производства, в том числе обработка растительного сырья генно-модифицированными микроорганизмами. Ввиду ограниченности ресурсов растительных масел, получаемых из сельскохозяйственных культур, в мире проводят исследования по использованию вновь культивированных специальных видов водорослей.

В последние пару лет производители биодизеля обращают много внимание на клещевину — растение семейства малочайных. Все потому, что методом холодного прессования из него можно получить касторовое масло, характеризующееся одним из самых высоких цетановых чисел.

Биодизель производится из водорослей

Прямые издержки на суточный объем производства

Здесь мы приведем расчет прямых издержек на производство 24,25 тонн биодизеля и двух побочных продуктов производства: 25 тонн жмыха и 3825 кг неочищенного глицерина:

Варианты использования биотоплива

Подобное топливо допускается заливать в бак автомобиля. При этом оно ничуть не уступает традиционному дизелю, а по некоторым параметрам даже и превосходит таковой. Многие владельцы авто и тяжелой техники (грузовики, комбайны, спецтехника) не могут отважиться на такой шаг. Но по многочисленным свидетельствам водителей биодизельное топливо не причиняет вреда двигателю и не загрязняет систему впрыска.

Иногда биодизель смешивается в определенных пропорциях с традиционными видами топлива и заливается в бак транспортного средства. Подобный опыт еще недостаточно хорошо изучен. Но, судя по отзывам, такая методика также имеет право на жизнь.

Воздействие на экологию

Удивительно, но данный вид топлива абсолютно безвреден для природы и его попадание в окружающую среду не вызывает никаких негативных последствий для флоры и фауны. Этого не скажешь о нефти и нефтепродуктах. Общеизвестным является тот факт, что всего лишь один литр бензина или топлива загрязняет не менее миллиона литров воды в мировом океане и приводит к гибели множества живых организмов и микроорганизмов. Одним из важнейших свойств биодизельного топлива является его быстрый период распада: в течение одного месяца микроорганизмы уничтожат практически весь объем топлива. Таким образом, если перевести речной и морской виды транспорта на инновационное топливо, то вредные последствия аварий и утечек дизеля можно свести к минимуму.

Выбросы вредных веществ в атмосферу

Пониженное количество выбросов углекислого газа при сгорании – большой плюс биодизельного топлива. По заверениям научных сотрудников, которые занимаются данными вопросами, объемы выбросов CO2 при сжигании биодизеля не превышают объемов переработки углекислого газа теми растениями, которые послужили источником сырья для производства топлива на протяжении всего жизненного цикла.

И все же выбросы при сгорании топлива имеют место. Именно поэтому называть биодизель экологически чистым видом топлива не совсем корректно. Хотя некоторые полагают, что объемы выработки углекислого газа настолько малы, что ими можно пренебречь. Это утверждение весьма спорное.

Чем биодизль лучше салярки из нефти

Биодизель не загрязняет планету.

Если речь идет о покупке готового топлива, то с экономической точки зрения обычная солярка, которую делают из нефти, будет выгоднее, так как она дешевле. Если делать биодизель в домашних условиях из покупного масла, то это тоже дорого. Единственный вариант, когда биотопливо производить выгодно – наличие собственного масла. Если этого нет – покупайте обычную солярку и топите ею.

Сильные стороны использования биотоплива для обогрева дома:

• запас энергоносителя хранить намного безопаснее – температура воспламенения 100 градусов, в то время как обычная солярка загорается при 60 градусах;
• биодизель не засоряет природу, минимальное содержание серы;
• биодизель выделяет мало углекислого газа.

То, что хранить биотопливо безопаснее – это хорошо, но и здесь не все идеально. Через три месяца биодизель начинает распадаться на составляющие части, а это накладывает некоторые ограничения.

Не всегда, когда радиатор перестает греть требуется ремонт батарей отопления. Иногда достаточно промыть систему.

Сроки годности и стабильность продукта

Независимо от вида, любое топливо имеет срок годности. Этот срок напрямую связан с химическим составом продукта и условиями хранения. Стоит отметить: химическая стабильность биологически чистого дизеля напрямую зависит от вида масла, на основе которого продукт получен.

Продукт на основе масел, естественно содержащих антиоксидант токоферол, а также витамин «Е», остаётся пригодным для использования дольше, чем продукт, полученный на основе прочих видов растительных масел.

По мнению специалистов, стабильность топливного продукта на основе растительных масел заметно снижается через 10 дней. Срок годности истекает через два месяца. Также оказывает влияние на стабильность продукта температура, учитывая насколько критические температуры способны денатурировать топливо.

Безопасность при хранении

Важная (с точки зрения обеспечения безопасности при организации хранения запасов топлива) характеристика – температура вспышки. Если топливо воспламеняется при низкой температуре – это огромный минус. Плюс биодизельного топлива заключается в том, что значение температуры воспламенения – не менее 150 градусов. При работе с биодизелем не следует пренебрегать техникой безопасности и допускать халатность при исполнении обязанностей. Данный вид топлива, возможно, имеет чуть меньшую взрывоопасность по сравнению с бензином или соляркой, но все же представляет большую угрозу.

Производство в домашних условиях

Первая и одна из главных проблем – где взять достаточное количество сырья. Хорошо, если вы фермер и выращиваете рапс либо являетесь владельцем ресторана, где остаются отходы растительных жиров.

Если же доступа к источнику недорогого сырья у вас нет, то и делать биодизель своими руками вы не сможете. Покупать масла будет нерентабельно, особенно учитывая проблему вторую – качество топлива.

Чтобы смело использовать в любых автомобилях или отопительных котлах произведенный в домашних условиях биодизель, надо обеспечить качество продукта.

Иначе вы столкнетесь с бесконечными ремонтами и очистками ваших двигателей и форсунок котлов. А для этого технология должна быть организована и выверена на высоком, а не кустарном уровне.

В свою очередь, это приведет к тем же затратам, чья окупаемость – под вопросом.

С низким качеством биодизеля могут на долгое время примириться старые автомобили и трактора с неприхотливыми двигателями и топливными системами.

То же касается отопительных капельных печей и котлов с горелкой Баббингтона, нетребовательных к качеству горючего.

На этот случай подойдет простейшая установка для производства биодизеля, при других раскладах технологию придется усложнить. Итак, для сборки установки потребуется:

• 3 емкости из пластика, 2 из них большие и одна поменьше;
• 5 шаровых кранов;
• трубы и фитинги (тройники, колена);
• электрический ТЭН с терморегулятором;
• насос.

Чтобы освоить производство биодизеля в домашних условиях, надо установить емкости на металлические подставки горловиной вниз, а сверху проделать закрывающиеся отверстия для заливки компонентов.

Можно использовать и металлические бочки или самодельные баки из стальных труб большого диаметра.

Внизу каждого сосуда надо приделать штуцер, а к нему прикрутить кран, после чего соединить все элементы между собой трубами, как показано на рисунке:

Средняя емкость будет служить реактором, куда необходимо встроить ТЭН. В другой большой бак заливается масло, а в малый – метиловый спирт.

Предварительно к метанолу добавляется каустическая сода, играющая роль катализатора.

Открыв краны таким образом, чтобы вещества из вспомогательных емкостей попадали в реактор, включается насос и ТЭН, чей термостат настроен на температуру 60 °С.

Источники:

• https://zap-online.ru/info/avtonovosti/biodizelnoe-toplivo
• https://www.trader-oil.ru/informatsiya/dizelnoe-toplivo-info/biodizel-proizvodstvo-ispolzov/
• https://avtozhidkost.ru/biodizel-tehnologiya-proizvodstva-v-domashnih-usloviyah/
• https://banya10.ru/otoplenie/chto-takoe-biodizel.html
• https://FB.ru/article/379363/biodizelnoe-toplivo-svoystva-plyusyi-i-minusyi
• https://nefte-gaz.info/biodizel-ponyatie-preimuschestva-i-nedostatki