Розвиток енергетики в аспекті використання біоетанолу

Біоетанол – продукт біоконверсії вуглеводовмісної сировини з регламентованою кількістю супутніх та денатуруючих домішок. Це суміш бензину та етанолу, який виробляється методом зброджування цукрів (глюкози, сахарози та деяких інших) у безкисневому середовищі спиртовими дріжджами.

У різних країнах світу біоетанол називають по-різному: у США його називають “газохолом” – суміш етанолу з бензином; в Європі біопаливо Є-80; на Філіппінах – “алкогас” (15% етанолу і 85% бензину); в Україні розробники біоетанолу називають його “БІО 100”.

Нині у світі весь паливний етанол отримують методом зброджування цукрів (цукрова тростина) або сировини з вмістом крохмалю (в основному кукурудзи). У Канаді, Бразилії та США діють державні програми з виробництва паливного етанолу. Світовими лідерами у цій галузі є Бразилія та США. Завдяки сучасним технологіям використання цукрової тростини виробництво етанолу в Бразилії стало рентабельним: від 1990 р. його обсяги щороку зростали на 4%, а собівартість зменшувалася на 3%. Раніше тут виробляли переважно етанол як паливо для автомобілів зі спеціальними двигунами. Але останнім часом у Бразилії використовуються паливні суміші з вмістом етанолу: 26% – у бензині і 3% – у дизельному пальному. Такі суміші не потребують змін у конструкції двигунів внутрішнього згоряння чи дизельних двигунів. Щороку, залежно від ринку цукру, уряд країни визначає, який відсоток біоетанолу буде додаватися до моторних бензинів.

США – другий вагомий виробник етанолу, палива, яке дає змогу щороку заощаджувати близько 1,5 млрд дол. на придбанні нафтопродуктів, забезпечувати стабільну роботу сільського господарства, створювати нові робочі місця за рахунок будівництва спиртових заводів і покращувати екологічну ситуацію. Порівняно з Бразилією, виробництво паливного етанолу з кукурудзи у США менш прибуткове. Нині у країні діють податкові знижки на паливний етанол, щоб зробити його дешевшим за бензин.

Річна потужність спиртових заводів США з виробництва етанолу досягає 7,5 млрд л. У 20 штатах розміщено 56 підприємств з виробництва етанолу і ще 30-35 заводів будуються. Очікується, що у США виробництво етанолу збільшеться з 15 млрд. л до 36 млрд. л – у 2020 р. Нині США є лідерами світового виробництва та споживання біоетанолу.

Країни ЄС щороку виробляють 2 млрд. л етанолу, але як паливо його використовують менше 10%. У 2001 р. комісії ЄС прийняли Директиви щодо використання біопалива країнами цього об’єднання, тобто про обов’язковий вмісту еталону у традиційному пальному для транспорту. До відновлюваних видів палива віднесено біоетанол і ЕТБЕ (етил-третбутиловий ефір). Майже всі зареєстровані в ЄС транспортні засоби технічно придатні для використання палива з добавкою до 15% етанолу або ЕТБЕ.

Нині основна частина етилового спирту використовується на технічні потреби. Так, у США на технічні потреби, у тому числі на виробництво паливного етанолу (біоетанолу), витрачається до 95% всієї кількості виробленого спирту. У Бразилії хімічна промисловість використовує понад 100 млн дал технічного спирту. У Франції 78% етилового спирту спрямовується на технічні потреби.

Україна як індустріальна держава потребує великої кількості технічного спирту, який використовується у хімічній, біохімічній, целюлозно-паперовій, автотранспортній, оборонній промисловості. Загалом, близько 160 виробництв використовують технічний спирт як сировину. Крім того, технічний етанол може бути використаний як моторне паливо – і в чистому виді, і у вигляді високооктанової добавки до бензину.

В усіх галузях економічно вигідно використовувати технічний спирт, а не високоочищений харчовий. Це пов’язано з тим, що сировиною для технічного спирту може бути дешеве дефектне зерно, меляса, технічні культури: топінамбур, сорго, тапіока тощо, а також побічні спиртовмісні відходи – брагоректифікації. Значно знижує собівартість технічного сприту те, що в багатьох випадках до нього не висувається жорстких вимог щодо вмісту органічних домішок і во­ди.

Однією з проблем світової спільноти є позбавлення економіки надмірної залежності від нафти та пального, виробленого на її основі. На думку американських експертів, це можна зробити за рахунок широкомасштабного впровадження нових технологій та альтернативних видів палива, зокрема алкоголемістких речовин, вироблених із сільськогосподарських культур, та біопалива. При цьому із основних альтернативних енергоносіїв, які могли б використовуватися як пальне для автомобілів з бензиновими двигунами, розглядається етанол.

Масштабний перехід на альтернативне пальне матиме наступні переваги:

- створення додаткових робочих місць, пов’язаних з впровадженням та удосконаленням нових енерготехнологій;

- створення практично необмеженого ринку збуту для сільськогоспо­дарської продукції;

- стимулювання світового економічного розвитку й торгівлі за рахунок створення фактично нового глобального ринку альтернативних енергоносіїв;

- впровадження дієвого механізму соціальної підтримки найбідніших країн Африки та Карибського басейну, які могли б вирощувати сировину для виробництва нових видів палива;

- зменшення протистояння між державами через контроль над нафтовими регіонами, скорочення фінансування авторитарних режимів, які володіють запасами нафти та підтримують терористичну діяльність;

- використання нового пального безпечніше для навколишнього середовища, ніж традиційного бензину.

Перехід на альтернативне паливо не вимагає від держав значних бюджетних коштів для розвитку відповідної інфраструктури та технологій. Необхідно лише створити відповідну законодавчу базу, яка, зокрема, змусила б автовиробників обладнати нові автомобілі системою використання різних видів пального (flex fuel system), тобто як звичайного бензину, так і сумішей, які б містили до 100% етанолу або метанолу. За деякими оцінками максимальна вартість такого обладнання могла б становити 100 дол. США.

Світова енергетика, орієнтована на алкоголемістке паливо, на відміну від нафтової має колосальні ресурси для забезпечення енергетичних потреб людс­тва. Нині нові технології використання алкоголемістких видів пального потребують додаткового вивчення, у тому числі з точки зору економічної ефективності, оптимальних технологій виробництва та вигідного транспортування. Переважний обсяг цих завдань спроможний вирішити ринок, тоді як уряд та парламент мають лише створити необхідні передумови та підтримати відповідні законодавчі ініціативи.

11.3. Загальні поняття, аспекти виробництва та використання біодизельного палива (біодизеля)

Найпоширенішим із біопалив у світі та й Україні зараз є біодизель. Згідно зі стандартами більшості країн світу до біологічного дизельного палива належать естери (ефіри) кислот, які одержують із рослинної олії (ріпакової, пальмової, соєвої, соняшникової, кукурудзяної, арахісової тощо) і тваринних жирів (за звичайних умов з риб’ячого жиру).

На комерційну основу виробництво біодизельного пального було поставлене на початку 90-х років ХХ століття, у першу чергу у тих країнах, які оцінили реальні довготривалі вигоди від його застосування і прийняли відповідні державні рішення щодо його впровадження. У своїх останніх директивах Євросоюз прийняв план, відповідно до якого частка біопалива, що використовується європейським автопарком, повинна становити 5,75% від загального обсягу автомобільного паливного. Основною причиною таких жорстких вимог Євросоюзу стало зростання стурбованості населення екологічними проблемами (забруднення повітря великих міст, глобальне потепління, основною причиною якого вчені вважають інтенсивне використання викопного палива).

За останні роки до цих проблем додалася ще одна – бажання забезпечити енергонезалежність країн-членів ЄС. Ця причина нині є також актуальною для України. Це пов’язано з тим, що основним постачальником нафти і газу для нашої держави є Росія, яка прагне диктувати свої ціни на енергоносії.

Термін біодизель досі не має чіткого визначення. Спочатку біодизелем називали суміш 95-70% нафтового палива з 5-30% рослинної олії. Однак наявність гліцерину у таких сумішах призводила до утворення нагару на розпилювачах форсунок, закоксуванню поршневих кілець і прогоранню клапанів двигуна, що швидко виводило його з ладу (саме тому дехто вважає, що біодизель не можна використовувати у чистому вигляді, а тільки як добавку).

Нині біодизелем вважають біопаливо на основі рослинних і тваринних жирів (олій), а також продуктів їхньої етерифікації. У проекті Закону України “Про розвиток виробництва та споживання біологічних палив” цей термін трактується таким чином: біопаливо дизельне – паливо, виготовлене з використанням етилових або метилових ефірів жирних кислот, отриманих з рослинних олій та тваринних жирів.

Використання біодизеля як моторного палива знижує емісію практично всіх шкідливих речовин, а саме: викиди вуглеводню у порівнянні з нафтовим аналогом скорочується на 56%, твердих часток – на 55, оксидів вуглецю – на 43, оксидів азоту – на 5-10, сажі – на 60%. При цьому виділяється та ж кількість вуглекислого газу, що була спожита із атмосфери рослинами, які є похідною сировиною для виробництва олії. У чистому біодизельному паливі присутні не більше 15 ppm (проміле) сірки і воно не містить у собі ароматичних сполук. Завдяки природному походженню біодизельне паливо є менш токсичним, ніж нафтове, і при потраплянні у ґрунт чи воду не шкодить ні рослинам, ні тваринам.

Окрім того, біопаливо схильне до практично повного біологічного розпаду: у ґрунті або у воді мікроорганізми за 28 днів переробляють 99% біодизеля, що дозволяє привести до мінімізації забруднення річок та озер. Ефіри рослинних олій добре змішуються з нафтовим дизельним пальним, при цьому відсутнє розшарування навіть при наявності розчиненої води.

Серед інших позитивних якостей біодизеля є такі: добрі змащувальні властивості, яких не має традиційне паливо, при усуненні з нього сірчаних з’єднань. Біодизель, незважаючи на значно менший вміст сірки, завдяки своєму хімічному складу (зокрема, наявності кисню), має кращі змащувальні властивості; висока температура запалювання (вище 150 °С), що робить біопаливо порівняно безпечним; повнота згоряння завдяки присутності до 10% кисню; значне (до 60%) збільшення ресурсу двигуна. Так, у Книгу рекордів Гіннеса у 2005 р. було занесено вантажний автомобіль, що проїхав на біодизелі Б100 без ремонту оригінального двигуна понад 1,25 млн км.

На сьогодні розроблено низку технологічних процесів виробництва біодизельного палива на основі рослинних олій. На підставі аналізу можна виділити три операції, які мають місце в усіх відомих технологіях приготування біодизельного палива: приготування суміші каталізаторів; змішування рослинної олії із сумішшю каталізаторів; відділення від рослинної олії, одержаного в результаті хімічної реакції, гліцерину. Однією з найскладніших є операція з перемішування рослинної олії і групи каталізаторів.

Найбільш простий і доступний спосіб використання ріпакової олії – розведення його дизельним пальним. Така суміш отримала назву біодизельної. Експериментальними дослідженнями вітчизняних та закордонних вчених встановлено: із зростанням вмісту ріпакової олії у біодизельній суміші час її згорання зростає, а при вмісті олії більше 60% процес згорання не встигає закінчитися до моменту відкриття випускного клапану двигуна. Для зменшення загального часу згорання у біодизельну суміш вводять активатори згорання (наприклад, органічне з’єднання заліза – ферроцен).

Біопаливо із ріпакової олії використовується як моторне паливо у двох варіантах: сумішеве паливо, що складається із суміші ріпакової олії з дизельним пальним; у вигляді метилового ефіру ріпакової олії.

Сумішеве паливо має такі переваги: проста технологія отримання, котра реалізується у сільськогосподарських підприємствах без значних витрат; висока стабільність при збереженні; розчинність на молекулярному рівні.

Порівняно з дизельним пальним у чистій ріпаковій олії густина більша на 9%, в’язкість вища у 25 разів, вміст сірки менше у 10 разів. У чистій ріпаковій олії температура застигання вище на 17 ºС, порівняно із зимовим паливом, та на 10 ºС нижче літнього дизельного пального. Більша в’язкість чистої ріпакової олії ускладнює її використання у двигунах, однак при підвищенні температури до 70-90 ºС його в’язкість знижується до значень, які близькі до в’язкості дизельного пального. Сумішеве паливо за фізико-хімічними показниками посідає проміжне положення.

Метиловий ефір ріпакової олії (МЕРО) за своєю фізико-хімічною характеристикою (в’язкість-зольність) ближче до дизельного пального. При використанні МЕРО не потрібне підігрівання палива, менше утворюються відкладення на деталях циліндро-поршневої групи. Якість МЕРО нормується європейським стандартом ЕN 14.214.2003 (E).

Враховуючи, що у сумішевого палива вихід енергії по паливній складовій більший, ніж у МЕРО, а також беручи до уваги більш просту та дешеву технологію його отримання, були проведенні комплексні досліди по суміше­вому паливу з різним вмістом ріпакової олії. Досліди проводилися на двигуні Д-240 Мінського моторного заводу. При роботі двигуна на біопаливі з вмістом олії від 0 до 100% було встановлено: оптимальний склад сумішевого палива по параметрам робочого процесу є вміст у ньому 75% ріпакової олії.

Аналіз екологічних показників двигуна свідчить про зниження токсичних викидів при роботі на біопаливі. Окис вуглецю СО (чадний газ) на усіх режимах з навантаження знижуються орієнтовно у 2 рази, викиди вуглеводнів (СН) також знижуються у 2 рази. Кількість твердих часток (димність) на режимах максимального навантаження менша у 2 рази, димність на режимах малого навантаження знижується до 0. Виключеннями є окиси азоту (NO₂), викиди котрих на режимах максимального навантаження при роботі на біопаливі збільшується на 8%. Це, очевидно, зумовлено наявністю у біопаливі зв’язаного кисню.

Адаптація паливної системи енергетичного засобу до роботи на сумішевому паливі зводиться до встановлення невеликого за розмірами додаткового паливного баку для дизельного палива, необхідного для запуску та прогріву двигуна при низьких температурах. Крім того, необхідним буде встановлення 3-ходового крана для переходу з одного палива на інше.

У Московському державному агротехнічному університеті ім. В.П. Го­рячкіна були проведені досліди по заміні дизельного пального на біодизельну суміш (при співвідношенні у ній компонентів 1:1). За даними досліджень, значно покращились екологічні якості двигуна. Викиди окисів азоту на номінальному режимі роботи двигуна скоротились на 15-20%, сажі на 30-35%, оксидів вуглецю та вуглеводнів на 10-15%.

Для встановлення фізико-хімічних характеристик сумішей біодизеля з дизельним паливом було проведено ряд випробувань на двигуні. Метою цих випробувань було встановлення впливу добавки біодизеля в дизельне пальне, на характеристики сумішей та показники двигуна. Випробування проводились з вмістом біодизеля від 10 до 50 % та від 50 до 100 %. Із збільшенням добавки біодизеля в дизельне паливо відбувається збільшення щільності, в’язкості і температури спалаху у закритому тиглі.

При неодноразових порівняльних випробуваннях максимальне зростання ККД двигуна при роботі на біодизелі порівняно з дизельним паливом склало близько 6 %. Із зростанням концентрації біодизеля у суміші з дизельним паливом ККД двигуна поліпшується, при цьому знижується димність, але зростає рівень виділення оксидів азоту. Для зменшення рівня виділення оксидів азоту можливо використовувати регулювання по куту випередження вприскування палива.

Використання метанолу як палива для дизелів є вельми привабливим. Це пояснюється наявністю сировини, налагодженого виробництва і відносною дешевизною метанолу. Якщо для бензинових двигунів використання метанолу як добавки до бензину (15%) не є проблемою, то при використанні метанолу в дизелях виникають труднощі. Основною причиною є те, що дизельне паливо без спеціальних присадок не змішується з метанолом, що виключає його подачу в суміші з дизельним паливом у камеру згорання.

Метанол використовується при виробництві біодизеля і до певної концентрації розчиняється у біодизелі. Були проведені дослідження визначення максимальної концентрації метанолу у біодизелі без наявності розшарування. Дослідження виявили, що розшарування сумішей метанолу з біодизелем настає при 25% метанолу, а за вмісту 20 % метанолу розшарування настає орієнтовно через 30 днів його використання. Також необхідно враховувати той факт, що з часом відбувається поглинання вологи з атмосфери, що призводить до розшарування сумішей. Із збільшенням частки метанолу відбувається зменшення щільності, в’язкості та знижується температура спалаху в закритому тиглі.

Також були проведені випробування подачі метанолу у впускний патрубок та подачі метанолу у камеру згоряння у суміші з біодизелем. При подачі метанолу безпосередньо у впускний патрубок вже при невеликій концентрації метанолу (відношення метанолу до дизельного палива 0,35%) спостерігалося різке погіршення ККД двигуна. У той же час двигун нормально працює при концентрації метанолу у суміші з біодизелем, що дорівнює 15%.

Була виявлена така загальна тенденція: із зростанням концентрації метанолу у суміші з біодизелем, ККД двигуна погіршується, але при цьому знижується рівень шкідливих викидів з відпрацьованими газами. При додаванні 10% метанолу оксиди азоту знижуються до 30%, димність – до 40%. Зменшення NO₂ пояснюється зниженням локальних температур, що пов'язано високою температурою випаровування метанолу. Слід зазначити, що використання метанолу викликає проблеми при переведенні двигуна на дизельне паливо, оскільки у фільтрі відбувається змішування суміші з дизельним паливом. Перед такою заміною необхідно повністю злити суміш з паливної системи двигуна.

Дата добавления: 2015-08-10