Биотопливо для автомобилей и проблемы его применения Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»
Аннотация научной статьи по промышленным биотехнологиям, автор научной работы — Москвин Павел Анатольевич
Рассматриваются различные виды биотоплива для автомобилей, их положительные и отрицательные стороны, проблемы применения биотоплива из различного сырьяV
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Похожие темы научных работ по промышленным биотехнологиям , автор научной работы — Москвин Павел Анатольевич
Использование возобновляемого энергетического сырья и развитие биотопливных технологий
Регулирование рынка жидкого биотоплива в России и мире
Немного о биотопливах
Сравнительная оценка использования альтернативных источников энергии
Жидкое биотопливо из растительного и животного сырья. Технические и экономические аспекты
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
arious types of biofuels for cars. Their positive and negative aspects. Problems of application of biofuels from various raw materials
Текст научной работы на тему «Биотопливо для автомобилей и проблемы его применения»
БИОТОПЛИВО ДЛЯ АВТОМОБИЛЕЙ И ПРОБЛЕМЫ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ
Биотопливо — это топливо из возобновляемого сырья. Оно бывает твердое (например, дрова) и жидкое. С применением дров как биотоплива в мире нет технологических проблем: дрова жгут в котлах, которые есть практически повсеместно. Развиваются технологии сжигания угля, торфа, газа, да и атомная энергия при нормальном подходе экологична и дает «чистое» электричество и/или тепловую энергию. Проблема сейчас в нехватке энергии для автомобилей и транспорта [4].
На производство топлива из возобновляемого сырья обратили внимание сравнительно недавно ввиду ухудшения экологической ситуации в мире и исчерпаемости запасов углеводородов. Биотопливо считается реальной альтернативой нефтяному топливу. Разработки и исследования ведутся в различных направлениях, технологии и способы получения биотоплива совершенствуются. Сконцентрируем внимание на существующих видах и перспективных направлениях развития биотоплива.
Биоэтанол — это биотопливный заменитель бензина. Производится из зерновых культур (по большей части — из пшеницы в Англии, сахарной свеклы и маиса, соевых бобов и сахарного тростника в США и Южной Америке [9]).
Топливный этанол не содержит воды и производится укороченной дистилляцией (две ректификационные колонны, а не пять, как для спирта, применяемого в пищевой промышленности). Биоэтанол нейтрален с точки зрения выброса парниковых газов. Содержащийся в этаноле кислород способствует более полному сжиганию углеводородов топлива. Присутствие в бензине всего 10 % этанола позволяет уменьшить выхлопы аэрозольных частиц до 50 %,
а выбросы угарного газа — на 30 %. Кроме того, с помощью генной инженерии создаются новые клоны дрожжей, которые более стойки к пагубным последствиям алкоголя и способны вырабатывать на 50 % больше этанола во время 21-часового периода. Эта технология сможет существенно увеличить эффективность производства топливного этанола из кукурузы и растительных отходов.
Согласно оценкам экспертов, к 2030 году выпуск биотоплива в мире составит 150 млн т, при ежегодном приросте производства 7—9 %. При этом предпочтение будет иметь биоэтанол, так как себестоимость его производства снижается быстрее, чем биодизеля.
Биодизель — биотопливный заменитель дизельного топлива. Получают его из масел зерновых культур (чаще всего из семян рапса в Англии и пальмового масла в Юго-Восточной Азии). Биодизелыюе топливо привлекло внимание исследователей сравнительно недавно, но быстро приобрело важное значение. Согласно стандарту США биодизельным топливом считаются мо-ноалкиловые эфиры жирных кислот, получаемых из растительного или животного сырья. Важнейшее достоинство применения биодизелыюго топлива — замена продуктов нефтепереработки на природное возобновляемое сырье [9].
Наиболее распространенным топливом этого типа является так называемый рапсметило-вый эфир, который в заметном количестве используется в Швеции, ФРГ, Франции и других странах. Его можно добавлять к дизельному топливу в концентрации до 30 % без дополнительной модификации двигателя. В западноевропейских странах принято решение об обязательной добавке 5 % рапсметилового эфира в дизельное
топливо, но в некоторых странах, например в Швеции, его используют как самостоятельное топливо. Стоимость топлива на основе рапсме-тилового эфира в настоящее время примерно в два раза выше, чем нефтяного дизельного топлива, но можно полагать, что объемы производства метилированных растительных масел будут увеличиваться, и это приведет к снижению их себестоимости до приемлемого уровня.
Широкие испытания рапсметилового эфира и его добавок к дизельному топливу в США и Европе показали, что при их использовании снижается эмиссия углеводородов и СО, а интенсивность образования оксидов азота остается без изменения.
Топливный потенциал масличных культур (на 1 т сырья) значительно выше, чем у других культур. Расчеты показывают, что энергетические затраты на производство рапсовых семян составляют 17700 МДж/га, на извлечение масла — 700 МДж/га, энергия же, полученная от масла, — 22200 МДж/га. Таким образом, энергетическая прибыль с каждого гектара составляет 3800 МДж (по энергетической ценности это соответствует 110 л дизельного топлива).
Исходя из литературных данных и проведенных исследований можно выделить следующие основные преимущества биологического дизельного топлива:
замкнутый круговорот углекислого газа; использование соломы рапса в качестве топлива в фермерском хозяйстве;
отсутствие серы и токсичных веществ; незначительный выброс загрязнителей (за исключением закиси азота);
рапсовое масло — самое распространенное растительное масло и наиболее устойчивое к влиянию низких температур (без добавок — минимум до минус 10°С);
рапс задерживает питательные вещества в почве, улучшает ее структуру, поддерживает плодородие, хорошо перерабатывает органические удобрения;
при производстве рапсового масла получают такие ценные побочные продукты, как глицерин и жмых;
рапс — отличный медонос (с 1 га посевов пчелы собирают до 90 кг меда);
рапсовое масло нетоксично, не загрязняет грунтовые воды и водоемы (при утечках полнос-
тью разлагается в почве в течение трех недель), обеспечивает рекультивацию радиоактивно зараженных земель;
рапсовое масло — самое безопасное горючее (точка воспламенения 325°С);
использование биотоплива не снижает ресурс двигателя, но уменьшает эмиссию вредных веществ на 25—50 % и парниковый эффект (до минимума), освобождает (хотя бы частично) от нефтяной зависимости.
Главные недостатки этого вида топлива: закоксовывание форсунок, отложения углерода в камере сгорания и смолистых веществ на фильтрах;
быстрый износ колец;
повышенное выделение закиси азота в сравнении с традиционным дизельным топливом (на 12 % больше, чем для дизелей с неразделенной камерой сгорания, и на 10 %, чем для дизелей с вихревой камерой);
биотопливо из рапсового масла более агрессивно, чем обычное дизельное топливо по отношению к резиновым деталям автомобиля или трактора и лакокрасочному покрытию кузова;
в силу того, что МЭРМ — кислородосодер-жащее соединение, низшая теплота сгорания эфиров несколько меньше, чем у дизельного топлива, и, как следствие, на 2,5 % меньше эффективный КПД.
Две рассмотренные выше формы — это так называемое «биотопливо первого поколения», так как они получены из сырого материала, который можно использовать в пищевом производстве [1].
Вторичное биотопливо. Одним из последних достижений современной альтернативной энергетики стало биотопливо второго поколения, которое получают различными методами, в том числе пиролизом биомассы. Технология получила название biomass to liquids (BtL). BtL производят из древесины и отходов деревообработки (при этом промежуточный продукт — биогаз). Преимущество этого вида топлива перед биоэтанолом и биодизелем в том, что, в отличие от упомянутых продуктов, при производстве BtL древесина полностью перерабатывается. BtL может производиться из любого вида биомассы, к тому же, по заявлению производителей этого топлива, для перевода автомобилей на него не требуется модификация современных двигателей. Быстрый пиролиз позволяет превратить биомассу в жидкость, которую легче и дешевле
транспортировать, хранить и использовать. Согласно исследованиям концернов Daimler Chrysler и Volkswagen синтетическое биотопливо не требует специальной доработки существующих автомобильных двигателей и модернизации сетей заправочных станций. Оно практически не содержит углекислого газа, серы и ароматических углеводородов.
Многие машины используют в качестве топлива природный газ. Для него также существует альтернативное топливо из возобновляемого сырья. Биогаз — биотопливная замена природного газа. Его получают из органических отходов, включая отходы животноводческих хозяйств и мусор, полученный от муниципальных, коммерческих и индустриальных источников, прошедшие процесс анаэробного разложения. В Соединенном Королевстве биогаз производится из отходов животноводства, а также за счет выделяющегося на свалках газа.
Для получения биогаза можно использовать растительные и хозяйственные отходы, навоз, сточные воды и другие подобные источники. В процессе ферментации жидкость в резервуаре стремится к разделению на три фракции. Верхняя — корка, образованная из крупных частиц, увлекаемых поднимающимися пузырьками газа, через некоторое время может стать достаточно твердой и будет мешать выделению биогаза. В средней части ферментатора скапливается жидкость, а нижняя фракция выпадает в осадок в виде грязи.
Производство биогаза позволяет сократить выбросы метана в атмосферу. Переработанный навоз применяется в качестве удобрения в сельском хозяйстве. Это позволяет снизить применение химических удобрений, сокращается нагрузка на грунтовые воды.
Расчетные экономические пок
Метан оказывает влияние на парниковый эффект в 21 раз более сильное, чем С02, и находится в атмосфере 12 лет. Захват метана — лучший краткосрочный способ предотвращения глобального потепления [5].
Сведем в таблицу экономические показатели некоторых видов топлива. За 100 % примем показатели бензина из нефти.
Таблицадемонстрирует, что метанол и в особенности этанол экономически эффективны.
С каждым годом наука разрабатывает все новые способы получения биотоплива.
Ученые из Эдинбургского университета На-пьера решили поддержать национальную экономику, не в последнюю очередь зависящую от экспорта виски, и разработали технологию производства биотоплива, в качестве сырья для которого используется все то, что владельцы шотландских винокурен привыкли считать отходами.
Используя образцы твердых и жидких отходов с фабрики С1епкшсЫ, исследователи получили бутанол, который на 30 % эффективнее классического биотоплива на основе этилового спирта.
Сейчас группа изобретателей приступила к коммерциализации своей разработки. Власти Евросоюза одобряют данную инициативу [11].
Американские ученые создали новый вид биотоплива, не отличающийся от обычного бензина, с помощью бактерий, перерабатывающих углеводы из различных типов промышленных и сельскохозяйственных отходов. Стоимость такого «биобензина» может не превысить 50 долларов за баррель, сообщается в статье исследователей.
Группа разработчиков сумела с помощью методов генной инженерии «научить» безвредные
геели альтернативного топлива
Вид биотоплива Затраты на производство, % Стоимость единицы пробега автомобиля,%
Бензин из нефти 100 100
Сжиженный природный газ 50-60 70-75
Сжиженные ^леводородные газы 60-70 80-99
Электроэнергия 65 90-130
Метанол 110 120
Синтетический бензин 160 120
бактерии Е.соН вырабатывать несвойственный им тип химических соединений — так называемые насыщенные углеводороды, или алканы. Именно алканы служат ключевым компонентом бензина, а потому такое биотопливо может быть сразу после получения отправлено в существующие распределительные сети заправочных станций. До сих пор для массового использования биотоплива, в частности биодизельного, приходилось создавать специальные станции и трубопроводы для очистки и транспортировки, так как химический состав такого типа синтетического топлива отличается от природного [10].
В Бразилии разработан очередной вид биотоплива — Н-биодизель, (смесьнефтепродуктов и растительных масел). Он может стать достойной альтернативой бензину и спиртовому топливу в условиях дефицита нефтепродуктов.
Заявленные характеристики Н-биодизеля идентичны параметрам стандартного дизельного топлива, однако благодаря растительным добавкам его использование ведет к меньшему загрязнению атмосферы продуктами горения и выбросу меньшего количества серы. Как показали тесты, Н-биодизель к тому же более экономичен и будет обходиться дешевле обычного дизельного топлива, а также уже существующего в Бразилии биодизелыюго топлива, производимого на основе добавок растительных масел в дизель.
Биотопливо из водорослей. По своим энергетическим характеристикам водоросли значительно превосходят другие источники. 200 тысяч гектаров прудов могут производить топливо, достаточное для годового потребления 5 % автомобилей США, 200 тысяч гектаров — это менее 0,1 % земель США, пригодных для выращивания водорослей.
Однако водоросли, содержащие большее количество масла, растут медленнее. Например, водоросли, содержащие 80 % нефти, вырастают за 10 дней, в то время как водоросли, содержащие 30 %, — 3 раза в день.
Производство водорослей привлекательно еще и тем, что в ходе биосинтеза поглощается углекислый газ из атмосферы.
Однако основная технологическая трудность заключается в том, что водоросли чувствительны к изменению температуры, которая для их нормального роста должна поддерживаться на определенном уровне (резкие суточные колебания недопустимы).
Также коммерческому применению водорослей в качестве топлива препятствует отсутствие на сегодняшний день эффективных инструментов для сбора водорослей в больших объемах. Немецкий автопроизводитель Daimler AG совместно с компаниями Archer Daniels Midland (ADM) и Bayer Crop Science начали цикл изучения тропического растения ятрофа в качестве потенциального источника биодизелыюго топлива. Об этом сообщает Reuters со ссылкой на информацию Daimler.
Биологическое дизельное топливо, полученное в результате переработки ядер орехов ятро-фы, имеет свойства, аналогичные тем, которые имеет биотопливо, полученное из рапсового масла. Оно к тому же характеризуется позитивным балансом С02 и, таким образом, может способствовать защите климата.
Специалисты сельскохозяйственного университета нидерландского города Вахенинген открыли способ получения автомобильного топ -лива из соломы.
Ученые придумали технологию, согласно которой солома нагревается до высокой температуры, к ней добавляются специальные ферменты, благодаря чему образуются сахара. На следующем этапе при помощи бактерий сахара превращаются в этанол, который используется в качестве топлива для автомобилей.
Производство достаточно экономично — около трети объема соломы идет в отходы, которые при горении дают энергию, необходимую для получения Сахаров из остальных двух третей. При этом образуются излишки энергии, их можно применять в других целях. По подсчетам ученых, при переработке 5 т соломы по вышеуказанной технологии полученного биотоплива хватит автомобилю на год езды [6].
Учеными японского университета Кобе и специалистами автоконцерна Toyota было разработано высокоэффективное биотопливо из рисовой соломы. Стоимость нового альтернативного вида топлива будет в три раза ниже, чем у аналогичного продукта, созданного концерном Toyota ранее. Коммерческое производство нового биотоплива планируется начать через пять лет.
Наращивание мощностей производства биотоплива, поиск и создание новых его видов — сложная, трудоемкая задача, решением которой занимаются большие группы ученых в разных странах. Замена нефтяного топлива топливом из
возобновляемого сырья — это перспективное и необходимое направление научнойдеятелыюс-ти, особенно если учесть исчерпаемость запасов нефти и пагубное влияние на экологию. Возможно, уже в скором времени люди будут ездить на продуктах переработки рапса, водорослей, тростника, и это улучшит экологическую ситуацию, снимет проблему энергетического кризиса [7].
Применение биотоплива связано с некоторыми проблемами. Элементный и структурный состав компонентов новых видов топлива значительно отличаются от традиционного углеводородного состава нефтяныхтоплив, что обусловливает их различия в физических, химических и эксплуатационных свойствах. Применение в качестве биотоплива необработанных растительных масел может привести к сбоям в работе двигателя. Использование смесевого топлива (смесь растительного масла с нефтяным дизельным топливом) не решает проблему лако- и на-гарообразования, закоксовывания форсунок, загрязнения минерального картерного масла. Применение в качестве биотоплива растительных масел и их смесей требует некоторых изменений в конструкции двигателя. Более перспективным биотопливом для дизельных двигателей считают продукт переработки растительных масел по реакции метанолиза — метиловые эфиры растительных масел (МЭРМ, или биодизелыюе топливо). Отмечается, что при работе двигателя на этом топливе в большинстве случаев не наблюдается повышенного нагаро- и лакообразо-вания, но проблемы уменьшения отложений и повышения стабильности биотоплив при длительном хранении требуют решения. В качестве причины нарушения работы дизельных двигателей при использовании биотоплив указывают их высокую вязкость и меньшую теплотворную способность по сравнению с нефтяным топливом при практически одинаковых цетановых числах, температурах кипения и молекулярной массе. С последними утверждениями нельзя со-
гласиться. Установлено, что именно различие в молекулярной массе компонентов топлив приводит к разнице их вязкости и испаряемости, определяемой фракционным составом — температурами кипения компонентов топлива, а значит, и к различиям в работе двигателей [2].
Даже если биотопливо — качественное, большое количество его сортов делает калибровку двигателей под оптимальную производительность практически невозможной. В наши дни некоторые производители дают гарантию на использование своих двигателей с полностью биологическим топливом, однако со многими оговорками касательно стандартов топлива, интервалов технического обслуживания и режима эксплуатации. Высокое содержание биодобавок в топливе коренным образом меняет процесс его сгорания. Существует еще одна проблема: разработка стандартов. В нефтяной промышленности и лабораториях нет специалистов, имеющих опыт работы с биологическими материалами. Кроме того, мнения специалистов-химиков, экспертов по двигателям и законодателей относительно того, с какой точки зрения рассматривать биотоплива, весьма далеки от согласия. Существует центр Ricardo, имеющий опыт работы с биотопливом на протяжении около четверти века, и в этой ситуации он становится одним из ключевых источников информации.
В будущем возникнет еще одна проблема. На многих станциях просто будет негде разместить «колонки» для всех видов топлива. Широкий выбор внесет путаницу; будут нередки случаи непреднамеренной заправки автомобилей неверным сортом топлива [8].
Развитие отрасли идет высокими темпами, в скором времени процессы сгорания биотоплива будут изучены и модернизированы, появятся четкие стандарты на различные сорта топлив. Тогда и только тогда будет возможно говорить о перспективах и сроках реализации различных проектов в сфере биоэнергетики для автомобилей.
1. Киреева, Н.С. Рапсовое биотопливо [Текст] / Н.С. Киреева.— Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии.— 2008. № 01,- С. 56-57.
2. Романцова, C.B. Исследование фрикционного состава биотоплива, синтезированного из во-
зобновляемого сырья [Текст] / C.B. Романцова, C.B. Бодягина, С.А. Кривец // Вестник Тамбовского университета. Серия: Естественные и технические науки,- 2010. Т. 15. № 1,- С. 72-74.
3. Дмитриев, АЛ. Водородное топливо: экономика и экология [Текст] / A.J1. Дмитриев // ФГУП РНЦ «Прикладная химия».— СПб.
4. Биотопливо из водорослей [Электронный peeypeJ // Режим доступа: http://www.cleandex.ru/ агПе1е5/2008/06/19^1ае-ЬюГие15.
5. Биотопливо в мире и в России [Электронный pecypcJ // Режим доступа: http://www.cbio.ru/ nlodules/news/artiele.php?storyid = 2735.
6. Что такое биогаз [Электронный pecypcJ // Режим доступа: http://sintezgaz.org.Ua/l_articles/7/ е111о-1акое-Ь^аг.
7. В Нидерландах ученые получили биотопливо из соломы [Электронный ресурсJ // Режим доступ: http://aenergy.ru/121.
8. Автоконцерн Toyota разработал новое биотопливо [Электронный ресурс J — Режим доступ: http://aenergy.ru/1978.
9. Биотопливо: добро или зло? [Электронный pecypcj // Режим доступа: http://www.cardriver.ru/ articles/20821.
10. Биотопливо — проблемы и перспективы (биоэтанол и производство) [Электронный pecypcj // Режим доступа: http://autorelease.ru/articles/automo-bile/345-biotoplivo-probleniy-i-perspe ktivy.html
11. Машинный алкоголизм [Текст] / /Upgrade. — 2010,- № 38. — С. 9.
Т.А. Иса беков, Н.П. Лавров
АЛГОРИТМ УПРАВЛЕНИЯ ВОДОРАСПРЕДЕЛЕНИЕМ НА ТРАНСГРАНИЧНОМ ЧУМЫШСКОМ ГИДРОУЗЛЕ
Чумышский гидроузел (ЧГУ) — трансграничное водораспределительное гидротехническое сооружение, служащее для подачи воды в Атбашинский магистральный канал (АМК) и Георгиевский магистральный канал (ГМК) для орошения земель Кыргызской Республики и Республики Казахстан. ЧГУ построен как межгосударственный объект и работает на экономику этих двух централыюазиатских республик.
ЧГУ расположен в нижней части р. Чу на расстоянии 25 км севернее г. Бишкек. В состав ЧГУ (рис. 1) входит: Чумышская плотина, подводящая и отводящая зарегулированное русло р. Чу; сбросной канал Аламединского каскада гидроэлектростанций (АКГЭС); головные участки АМК и ГМК; бассейн суточного перерегулирования (БСП).
Для управления водораспределением на Чу-мышской плотине должны использоваться данные гидропоста (ГП) Милянфан, находящегося от плотины в 5 км вверх по течению р. ЧУ, и данные по сбросу воды с Аламудунского каскада гидроэлектростанций. Незарегулированность реки Норус и отсутствие информации о расходе воды в ней привело к неопределенности в отношении притока воды из нее в Чумышское водохранилище. Однако замеры расходов воды, поступающих в сбросной канал АКГЭС после забора ее в вышележащий канал Норус-Аламу-
дун показывают, что величина этих расходов не превышает 10 % от расходов воды в реке Чу.
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
Емкость Чумышского водохранилища является фактически руслом реки Чу и довольно ограничена по объему. Поэтому в составе Чумышского гидроузла имеется бассейн суточного перерегулирования (БСП). Проектная емкость бассейна — 1 млн м-, однако в связи с заилением емкость БСП в настоящее время стала гораздо ниже.
Стратегия алгоритма управления ЧГУ заключается в безусловной подаче воды приграничным водопользователям в соответствии с режимом (планом) водоподачи. В случае недостатка воды этот дефицит должен распределяться по водопользователям в заданных пропорциях, оговоренных межгосударственными соглашениями. Математически данная задача может быть сформулирована в следующем виде:
найти значения переменных
+ ^АМК (ÖAMК + 0БСП ~ ^АМК
при выполнении следующих условий:
0ЧУ + 0™к + ÖAMK + 0БСП _ 0БСП 2 0ПР ! (2)
Экотопливо
Для получения биодизеля используют любые виды растительных масел — подсолнечное, рапсовое, льняное и т.д.
Экотопливо 0
В марте 2009 года Комитетом Всемирной Топливной Хартии (WWFC) были представлены Руководства по биодизелю
Экотопливо 0
Биотопливо – один из видов альтернативного топлива, производимый из сырья растительного или животного происхождения.
Какое топливо для транспорта самое экологически чистое
Во всех странах мира пропаганда замены бензина и дизельного топлива на любое доступное экологически чистое топливо имеет множество бесспорных плюсов, но в то же время рождает немало новых вопросов. С одной стороны, переход на менее токсичные для окружающей среды и человека типы топлива предполагает решение многих этических, финансовых и экологических задач. В то же время постепенный отказ от отравляющих видов горючего создаёт совершенно новую область взаимодействий – в аграрной и производственной сфере, в законодательстве, экспериментальной деятельности и ценообразовании. Также нельзя забывать и о том, что эко-топливо является одним из действенных способов решения климатических проблем.
На фоне всех вопросов одно остаётся неизменным: предпочтение топливу, которое не будет вредить экологии и человеку, отдаётся в нарастающей прогрессии, и остановить этот процесс, пожалуй, уже не получится. В настоящее время предлагается сразу несколько групп экологический чистых составов для заправки транспорта – жидкие, газообразные, и даже сжатый воздух. Условно все эти разработки можно разделить на два вида – действующие и экспериментальные.
Экологичное топливо – альтернатива бензину и дизелю
Цель замены бензинов и дизельных горючих на топливо эко класса – насколько возможно, снизить объем высокотоксичных соединений в выхлопе или создать самые безопасные, наиболее чистые виды для транспортных средств. Справедливости ради, в такой список не стоит включать электромобили, несмотря на то, что в целом все топлива – это источник энергии в общем смысле. Но в этом обзоре речь пойдёт только о тех видах, что производят побочный продукт – выхлоп, и имеют, так или иначе, физическую, материальную форму. В случае с видами топлива, не вредящими окружающей среде, это газовые смеси, составы «био», этиловые продукты.
Знакомый и доступный газ – метан, пропан и бутан
Такие виды горючего в настоящее время являются наиболее распространенными, сжиженной углеводородной пропан-бутановой смесью (СУГ) и компримированным природным газом метан (КПГ) успешно пользуются в разных странах. В России государственными программами активно субсидируется переход на метановое топливо. Некоторые классы автомобилей уже оцениваются на ТО по новым экологическим нормам Евро 6.
По новым правилам «Евро-6» к экологически чистым могут относиться топлива, в которых выбросы отравляющих веществ в отработке не превышают для углекислого газа (C02) более, чем 130 грамм на каждый километр пути, а для оксида азота (NOx) максимум установлен в 0,08 грамма. Оба вида газового биогорючего в такие нормативны не просто укладываются, а имеют безусловное преимущество перед бензином и даже более чистым дизельным топливом.
Стоит отметить, что определенный процент выброса токсичных веществ в атмосферу присутствует у пропан-бутановой смеси, но их объём можно считать мизерным. В то же время метан для окружающей среды – самый безвредный из широко применяемых видов топлива, поскольку это природный газ, а не продукт, полученный в процессе нефтеперегонки.
Другие виды биотоплива
В отличие от газовых, такие составы только набирают популярность, и в разных странах отношение к различным жидким биотопливам ещё только складывается. В настоящее время устойчивое качество для автомобилей может обеспечить только биодизель, а всего существует несколько типов топлива, соответствующего категории «био»:
-
Биодизель и биобензин – применяются и как топливо, и как добавка;
Подробного рассмотрения заслуживают био-варианты дизеля и бензина, а также диметилэфир: в наше время пока только они доступны, могут соответствовать требованиям к экологически чистым типам горючего и использоваться достаточно широко, как полноценная замена существующим продуктам нефтепереработки.
Биодизель и биобензин
Биодизель – пожалуй, лидер в рейтинге доверия автовладельцев, особенно в странах Евросоюза. Рекордсменом по производству этого вида горючего является Германия, где построено и действует около 50 предприятий и тысячи отдельных мини-установок. Биодизель изготавливается из натурального сырья, а по сути является смесью триглицеридов и жирных кислот, примерно похожих на состав майонеза или растительных масел. Сырьём чаще всего выступают сельскохозяйственные культуры: например, рапс, соя.
Биобензин – продукт другого производства, это смесь лёгких фракций бензина с эфирами, углеводородами, метиловым спиртом и многофункциональными присадками. В то же время последние российские разработки ОИВТ (Институт высоких температур) показали эффективность обработки быстрорастущих микроводорослей для производства биобензина – эко-топлива третьего поколения. Но пока в России биобензин в промышленных масштабах не производится, а лидируют на рынке изготовления одного из предельно чистых типов горючего США и Бразилия, занимая 90% всего объёма.
Несмотря на то, что экологическая чистота обоих видов горючего не абсолютна, доля вредных выбросов в отработке и биодизеля, и биобензина значительно снижена, если сравнивать с обычными типами этих же горючих.
-
Окись углерода (угарный газ) – меньше от 8 до 10%;
Говоря о растительном топливе – биодизеле – даже на случай аварии, разлитое на земле, в водоемах, оно полностью расщепляется бактериями в течение 2-3 недель без ущерба окружающей среде. Эксплуатационные характеристики требуют небольшой доработки: имея великолепные смазывающие качества, биодизель всё же снижает мощность двигателя внутреннего сгорания. Недостатки относительны: примерно на 6-8% падает тяговая характеристика, вместе с тем на это же число вырастает расход топлива. Цена за литр обоих типов горючего, и эко- и обычного дизеля идентична.
Диметиловый эфир
Если рассматривать все виды топлива не по известности и распространённости, а именно по безопасности для окружающей среды, на лидирующие позиции следовало бы поместить именно диметилэфир. Производится из природного газа, биомассы или угля и даже на фоне нейтрального к экосистемам биодизеля у ДМЭ больше бесспорных преимуществ:
Качество ДМЭ выдержит ещё несколько ужесточений ЕВРО-стандартов, можно сказать, что у этого топлива отличные перспективы стать одним из самых востребованных. Уже сейчас на производство автомобилей под диметилэфир постепенно переходят крупнейшие производители: Ford, Nissan, Volvo, лидеры китайского автопрома, КамАЗ К слову, в КНР таким топливом пользуются официально и достаточно широко уже 15 лет – и общественный, и частный автотранспорт, а подобное явление полностью поддерживается госзаказами. Не отстают и скандинавские страны: Швеция и Дания отдали весь общественный транспорт на диметилэфир. Это действительно дешевая, безопасная для природы и надёжная для двигателей альтернатива нефтесодержащим видам горючего.
Экспериментальные виды экологически чистого топлива
Кто знает, возможно каким-либо из идей суждено стать востребованной реальностью, но не в настоящее время – идей, каким топливом можно заменить высокотоксичные горючие составы немало. Речь идёт и о гибридных технологиях, и о самостоятельных, монотопливных. Удивляющие, инновационные и даже непонятные задумки: перечислим самые яркие попытки изменения всемирного рынка нефтяных ГСМ.
-
Пневмоавтомобили, работающие на сжатом воздухе – Peugeot уже выпустили air-гибрид бензина и сжатого воздуха. По мнению инженеров это позволит запускать автомобиль на жидком горючем, а ездить уже на энергии потока воздуха из баллона 80% всего пути.
Автомобиль с небольшой грузоподъёмностью (~500 кг) сможет проехать на баллоне воздуха, объёмом в 105 литров около 15-16 км. Расход бензина составит 3 л/100 км пробега. Токсичные выбросы – в минимальной концентрации.
-
Метан – кажется, уже сейчас этот газ широко применяют в виде дружелюбного экологически вид топлива? Да, но в качестве сырья предложено использовать содержимое канализаций: продукты жизнедеятельности человека. Концерн Volkswagen поддержал идею одним из своих малолитражных кабриолетов Volkswagen Beetle, а модифицировали машину в GeneCo: компания создала Bio- Bug. Всё прошло успешно.
Транспорт может разгоняться до 114 км/ч, выбросы CO2 равны объёму, который бы выделялся при естественном разложении человеческих отходов жизнедеятельности в канализации. К слову, её содержимого достаточно для выделения метана, на котором машина сможет ездить почти год.
-
Биодизель – уже был описан и на таком топливе успешно ездят автомобили, что же тут экспериментального? Но в 1990-х годах предприимчивые и вежливые ко всему в мире японцы решили, что нехорошо впустую выбрасывать кулинарные масла, жиры и всё, что уже не годится для приготовления пищи. Их поддержали в США спустя 20 лет – в крупной национальной лаборатории проводились эксперименты по вторичным использованиям чего угодно с пользой. Опыт двух стран показал, что японцы уже много лет могут ездить на добытом топливе из всего подряд, пока остальной мир думает, как это сделать. Кулинарный жир? Теперь это растительное дизельное горючее.
1 миллион отработанных кулинарных масел и жиров равны 500 тыс. тонн нефти или 3665689 баррелей. Из них можно произвести 91 642 литра дизельного топлива, из расчёта 40 литров из каждого барреля нефти. Если средний пробег легкового автомобиля в год – это примерно 20 тыс. км, то годовая потребность в дизельном горючем составит 900 литров (при расходе 4,5 л/100км). А 91 642 литра хватило бы для заправки 102 автомобилей в течение всего года.
Конечно, все инновации и даже действующие технологии производства эко-безопасного горючего помогают если не очистить атмосферу, то хотя бы не ухудшить существующее плачевное её состояние. Однако в погоне за стандартами и безвредностью выхлопа стоит вспомнить, что пока заправочных станций для новых видов горючего крайне мало, по меньшей мере, в России. За изменением ситуации можно следить по картам АЗС с разными типами топлива.
Чек-лист “5 способов экономии для владельцев автопарка”
Оставьте свои контактные данные и получите PDF с чек-листом про экономию автопарка. 5 основных способов будут ждать вас на почте
Как устроено производство биотоплива, и какие проблемы оно решает
Сжигание ископаемого топлива для получения энергии вносит существенный вклад в климатический кризис. Чтобы смягчить его последствия, необходимо искать новые способы добывать энергию. Выходом может стать биотопливо
Что такое биотопливо
Биологическое топливо — это горючее растительного или животного происхождения. Предполагается, что оно заменит традиционные виды топлива из исчерпаемых ресурсов на те, которые производятся из возобновляемого сырья. Например, к биотопливу можно отнести обычные дрова или рапсовое масло. Однако дизель и бензин вытеснили эти виды топлива, так как они дешевле, а массовая автомобилизация требовала больших объемов топлива. Почему люди вновь вернулись к биотопливу? Первая причина — климатический кризис, который усугубляется выбросами парниковых газов от использования ископаемого топлива. На транспорт приходится практически четверть от всей эмиссии углекислого газа, связанной с производством энергии. С 1970 года объем выбросов парниковых газов в транспортном секторе вырос вдвое, из которых 80% приходится на дорожный транспорт. Вторая причина — поиск возобновляемых источников энергии, так как запасы нефти и угля вскоре могут полностью закончится. Сюда же можно добавить и скачки цен на углеводороды.
Виды биотоплива
- Твердое
- Жидкое
- Газообразное
Твердое биотопливо
Самый типичный и древний вид твердого биотоплива — дрова. Однако сейчас в чистом виде и в крупных масштабах их уже почти не используют. Наиболее ходовым твердым видом биотоплива стали пеллеты, получаемые из древесных опилок или коры, соломы, оливковых косточек, ореховой скорлупы или шелухи семечек подсолнечника. Также пеллеты делают из навоза крупного рогатого скота.
Пеллеты заменяют уголь, дрова и солярку. При сгорании они не выделяют вредных веществ и практически не дымят (в отличие от угля и дизеля). Кроме того, они более энергоэффективны, чем обычные дрова. Плюс пеллетов также в минимальном содержании золы, что снижает потребность в обслуживании печей и котлов. Кроме того, они имеют самую низкую цену по сравнению с другими видами биотоплива.
Жидкое биотопливо
Биоэтанол — наиболее популярное и массовое жидкое биотопливо. Его получают путем ферментации крахмала или сахара. Бразилия и США входят в число лидеров по производству биоэтанола. В США биотопливо на основе этанола производят из кукурузы и обычно смешивают с бензином для получения гибридного топлива. В целом в США на биотопливо приходится 5% от всего энергопотребления. В Бразилии биотопливо на основе этанола делают из сахарного тростника, а в Англии даже производят из сахарной свеклы.
Биодизель — второе по популярности жидкое биотопливо. Биодизель делают в основном из масличных растений, таких как соя или масличная пальма, и в меньшей степени из других масляных продуктов, например, отходов кулинарного жира после жарки во фритюре. Биодизель используется в дизельных двигателях и обычно смешивается с нефтяным дизельным топливом в различных пропорциях.
Биобутанол — четырехуглеродный спирт, который также относится к биотопливу. Его делают из того же сырья, что и этанол. Преимущества биобутанола по сравнению с биоэтанолом заключаются в том, что биобутанол не смешивается с водой, имеет более высокое содержание энергии и более низкое давление паров, что означает более низкую летучесть в результате испарения.
Диметиловый эфир. Его можно получить из биомассы, но в промышленных масштабах исходным сырьем для него остается природный газ. Плюс такого топлива в том, что его энергоэффективность практически равна дизельному топливу, однако плотность энергии у диметилового эфира вдвое ниже, чем у дизельного топлива, поэтому для него требуется топливный бак в два раза больше. К тому же для транспортных средств нужна специально разработанная система для работы двигателя на диметиловом эфире.
Сейчас инженеры активно разрабатывают новое поколение жидкого биотоплива, полученного с помощью водорослей. Водоросли выращивают в больших бассейнах или на фермах, они превращают солнечный свет в энергию и хранят ее в виде масла. Масло извлекается механически (при прессовке биомассы) или с помощью химических растворителей, которые разрушают стенки клеток. Дальнейшая переработка и очистка дает биотопливо, подходящее для использования в качестве альтернативы традиционным видам топлива.
Газообразное биотопливо
Биогаз — это газ, состоящий в основном из метана и углекислого газа в различных пропорциях в зависимости от состава органического вещества, из которого он был получен. Основными источниками биогаза являются отходы животноводства и сельского хозяйства, сточные воды и органика из бытовых отходов. Биогаз образуется в результате процессов биологического разложения без доступа кислорода (анаэробное сбраживание).
Биоводород — аналог обычного водорода, который получают из биомассы. Термохимический способ представляет собой нагрев исходного сырья без доступа кислорода до высоких температур, например, древесных отходов, при котором выделяется водород и другие попутные газы. При биохимическом способе получения биоводорода в биомассу добавляют специальные микроорганизмы, которые ее разлагаются с выделением водорода.
Плюсы и минусы биотоплива
Преимущества:
- Возобновляемость ресурса. Ископаемое топливо — это иссякаемый источник энергии, который со временем закончится. Поскольку биотопливо производится из растительных веществ, оно теоретически является возобновляемым.
- Снижение негативного влияния на окружающую среду. При сжигании биотоплива количество углекислого газа снижается до 65%, что сокращает вклад отрасли в изменение климата. Кроме того, биоэтанол и биодизель содержат меньшие концентраций таких химических веществ как хлор и сера. Это означает, что биотопливо помогает снизить выбросы этих загрязнителей в атмосферу.
- Экономическая безопасность. Биотопливо можно производить на месте, создавая рабочие места в том же регионе, где оно будет потребляться, тем самым сокращая транспортные расходы и выбросы. Кроме того, производство собственного биотоплива снижает зависимость страны от поставок нефти из других государств.
- Долговечность двигателя. Поскольку биотопливо содержит меньше примесей в сравнении с традиционными видами топлива, то и двигатели будут загрязняться меньше и реже выходить из строя.
Недостатки:
- Потеря лесов. Производство биотоплива требует огромных территорий под выращивание сырья. Это может привести к массовым вырубкам лесов, чтобы освободить площади.
- Продовольственный кризис. Производство биотоплива может повлиять на экономику, связанную с ценами и доступностью продуктов питания, так как пахотные земли будут отводиться под культуры для биотоплива, а не для пищи.
- Деградация почвы. Выращивание одних и тех же культур (монокультур) приведет к истощению почвы и росту числа вредителей. Для борьбы с ними будут использовать химические пестициды, как следствие — снижение плодородия почвы и потеря биоразнообразия.
- Использование ресурсов. Количество энергии, производимой с помощью биотоплива, значительно меньше, чем от сжигания ископаемого топлива, а это означает, что для удовлетворения энергетических потребностей того же количества людей требуется гораздо больше земли, воды и удобрений.
- Энергетические затраты. При оценке экономических выгод от биотоплива необходимо учитывать энергию, необходимую для его производства. Например, в процессе выращивания кукурузы для этанола используются ископаемые виды топлива при производстве удобрений, транспортировке кукурузы и перегонке этанола. В этом отношении этанол, полученный из кукурузы, дает относительно небольшой выигрыш в энергии.
Где используется биотопливо
Пока речь в основном идет о потреблении его в домашних условиях. Обычно твердые виды биотоплива используют в бедных странах, где нет других источников энергии, для приготовления пищи, стирки и уборки или для обогрева самого дома. 80% всего потребляемого сегодня биотоплива используется как раз для этих целей. 18% биотоплива задействовано в промышленности как источник энергии и смазочных материалов. Биотопливо часто упоминают в качестве альтернативы бензину для автомобилей, но сейчас только 2% используется в транспортной отрасли.
Перспективы биотоплива
На сегодняшний день из развитых стран США являются крупнейшим производителем биотоплива, на них приходится почти 40% мирового рынка. Всего в 2019 году мировое производство биотоплива превысило 1,8 тыс. баррелей, доля на рынке которого составила $136 млрд. Пока это стало рекордом. Из-за пандемии коронавируса мировой рынок биотоплива упал примерно на 8% впервые за 20 лет.
У биотоплива есть шанс занять только часть рынка, поскольку его потенциал ограничивают искусственно. Так, в ЕС действуют правила, запрещающие использовать более 7% продовольственных культур в качестве сырья для биотоплива. В краткосрочной перспективе биотопливо не требует замены существующей инфраструктуры и двигателей, но маловероятно, что весь энергетический комплекс сможет перейти исключительно на него.