Биодизель: особенности биотоплива

Биодизель — топливо будущего

21 век станет последним веком, когда человечеству еще будут доступны такие минеральные ископаемые как газ или нефть. С ростом количества грузоперевозок проблема топлива становится особенно актуальной. Одним из удачных вариантов решения зависимости отрасли тяжелого машиностроения от топлива считается разработка так называемых альтернативных видов топлива или «биодизелей».

Биодизель представляет собой жидкость золотистого или темно-коричневого цвета в зависимости от исходного сырья. Он практически не смешивается с водой, так как обладает низкой плотностью, не превышающей 0,88 г/см3. Вязкость этого альтернативного топлива практически идентична вязкости топлива, которое производится из нефтепродуктов. В отличие от традиционного дизельного топлива, биодизель является очень агрессивным растворителем и способен вступать в контакт с резиновыми деталями двигателей. Кроме того, к недостаткам этого вида топлива можно отнести более низкую температуру загустения, что может потребовать отопления хранилищ биодизеля, особенно в странах с холодным климатом.

Сырьем для производства природного дизеля может стать практически любой животный или растительный жир. Самым распространенным источником жиров могут стать водоросли, технические культуры, животные жиры и даже отработанные кулинарные масла, в избытке производимые ресторанными сетями. Это топливо безопасно в производстве и употреблении, подвергается природному циклу распада, чем значительно снижает количество полютантов, выбрасываемых в воздух. Более полное сгорание биотоплива, в частности, снижает количество моноксида углерода, которым из года в год загрязняется атмосфера. Принцип переработки отработанного биодизеля окружающей средой приближается к параметрам закрытой природной системы, потому что выброшенный углерод снова используется для роста растений, которые в будущем снова станут топливом.

Несмотря на более низкую энергоемкость биологического дизеля, он лучше окисляется и тем самым отдает примерно такое же количество энергии, как и традиционное дизельное топливо. В то же время температура вспышки биодизеля превышает 150 0С, что выгодно отличает его от обычного дизеля (64 0С) и бензина (45 0С) и делает хранение такого биотоплива значительно более безопасным.

Первым производителем, который в 90-е годы запатентовал частичное использование биотоплива в смеси с традиционным дизельным топливом для двигателей грузовиков, был французский концерн Renault. Первопричинами такого пристального внимания к альтернативным источникам топлива со стороны именно производителей тяжеловесных грузовых машин стали, прежде всего, экологические проблемы. Так, по данным разных исследователей, до 70% вредных для здоровья веществ в атмосферу выбрасывают именно грузовики.

Перестройка двигателей на другое топливо не отличалась особой сложностью; производителю нужно было учесть способность биодизеля растворять резину, в связи с этим все шланги и эластичные детали двигателя должны были быть выполнены из химически инертного пластика. Кроме того, более высокая смачиваемость биологического топлива снижала изнашиваемость двигателя из-за того, что сама промывала его и предотвращала образование отложений и вредной для мотора плёнки.

Одним из первых производителей грузовиков на природном топливе, который не только запатентовал технологию изготовления моторов на альтернативном топливе, но и широко продвигал идею об экологически чистых грузовиках, стал американский завод Ecology Center, расположенный в Балтиморе. Грузовики этого производителя предназначены для перевозки перерабатываемых отходов. Тестирование их продукции в 2001 году было доверено водителям, имеющим многолетний стаж вождения тяжеловозов, и широко освещено в прессе.

По словам тестеров, управление таким грузовиком отличается от управления машиной на традиционном топливе. Прежде всего, обращает на себя внимание характерный запах выхлопов, который можно сравнить с запахом жареного картофеля или арахиса. Кроме того, отсутствие твердых несгораемых частиц, которые в огромном количестве присутствуют в обычном топливе, предотвращают появление густых плотных выхлопных газов, окружающих кабину во время движения грузовика. Ход машины отличается большей плавностью из-за более полного сгорания топлива. К возможным недостаткам альтернативного топлива, прежде всего, можно отнести его больший расход. При прочих равных условиях расход альтернативного дизеля составляет около 150% от расхода традиционного дизеля, что особенно актуально для грузовиков, преодолевающих большие дистанции.

В настоящее время большинство производителей говорят о возможности их машин использовать биологический дизель. Концентрация биологического дизеля, допустимая к применению на грузовиках, тем не менее, существенно разнится: такие компании как Scania и Volkswagen разрешают применение 100% биологического дизеля, в то время как на всех грузовиках производства Великобритании стоит строгое гарантийное ограничение до 5% биодизеля в составе топливной смеси.

Производством грузовиков, разработанных специально для альтернативного биологического дизеля, занимаются Scania, Volkswagen, MAN и LKW WALTER.

Особенности производства биодизеля

Биодизель является альтернативным видом топлива для дизельных двигателей.

Биодизель является альтернативным видом топлива для дизельных двигателей.

Биодизель (дизельное биотопливо) представляет собой сложный метиловый эфир с качеством дизельного топлива, производимый из масла растительного или животного происхождения и используемый в качестве биотоплива. Химическая формула – С13Н24.

Соотношение растительного масла и метанола составляет приблизительно 9:1.

Рисунок. Технология производства биодизеля

Реакция начинается медленно и в зависимости от перемешивания занимает всего 3–6 минут. Чтобы получить хороший выход биодизеля ее необходимо провести дважды. Затем все это декантируется: глицерин – на дне, и верхняя фракция – эфир – передается на вторую стадию реакции. Снова простое смешивание с метанолом и катализатором в течение нескольких минут завершит процесс этерификации, и второй статический декантер разделит фракции глицерина и эфира.

Реакция идет при любой температуре, т. е. диапазон от 20 oС до 90 oС является приемлемым. Каждые 10 oС удваивают скорость реакции, некоторые источники рекомендуют температуру 55 oС для повышенной безопасности процесса, так как метанол закипает при 65 oС.

Из одной тонны растительного масла и 111 кг спирта (в присутствии 12 кг катализатора) получается приблизительно 970 кг (1100 л) биодизеля и 153 кг первичного глицерина.

Для производства биодизеля подходят любые растительные масла, твердые масла животного происхождения, отходы масложирового производства или скотобоен.

В качестве растительных масел могут использоваться подсолнечное, рапсовое, льняное и др. В зависимости от используемого сырья качественные показатели биотоплива разнятся. Так, например пальмовый биодизель имеет наибольшую калорийность, но быстро замерзает при относительно высоких температурах. Рапсовый биодизель несколько уступает пальмовому по калорийности, но лучше переносит холод.

Таблица. Объем производства растительного масла с 1 га некоторых сельхозкультур

Оптимальным сырьем для производства биодизеля служит рапс. Процент выхода дизельного топлива из 1 т рапсового масла – 96%.

По удельному весу в мировом производстве масличных культур рапс занимает третье место после сои и хлопка, опередив подсолнечник.

Различают рапс двух сортов – озимый и яровой с несколько различными показателями урожайности и масличности. Урожайность маслосемян сортов озимого рапса может достигать 60 ц с га, а яровых сортов – 45 ц с га. Среднее содержание масла в семенях – 40–50%.

Рапс является отличной культурой для севооборота с пшеницей. Он хорошо структурирует почву, в результате повышение урожайности зерновых, посеянных после рапса, составляет до 10–15 ц с га.

Оценку основных параметров организации производства биодизеля можно провести на примере испанского завода:

Мощность: 21 000 м3 биодизеля в год

Инвестиции: 8.2 млн евро

Персонал: 18 человек

Территория: 6 000 м2 (здания — 2,300 м2)

Число реакторов: 3

Сырье: соевое масло, пальмовое масло

Хранение масла: 300 м3

Емкости для метанола: 60 м3

Емкости для готового биодизеля (B100): 400 м3

Емкости для глицерина: 100 м3

По экспертным оценкам, стоимость строительства заводов по производству биодизеля – от 0.2 до 0.5 доллара на литр мощности.

При организации производства биодизеля — дополнительную прибыль можно получить от реализации получаемого глицерина.

Более подробная информация об особенностях производства биодизеля в условиях российского рынка представлена в отчете «Маркетинговое исследование рынка биотоплива»

Биотопливо

Более 10 лет назад начались первые продажи биодизеля. Биодизель оказался абсолютно новым видом экологически чистого топлива, которое подходит для широкого применения в дизельных двигателях. Главными особенностями биодизеля стали дешевизна производства, экологичность и универсальность применения, так как биотопливо можно использовать отдельно или свободно смешивать его с обычным дизельным топливом в любой пропорции.

Сегодня около 50 стран мира на законодательном уровне закрепили производство топлива биологического типа. Такие возобновляемые источники энергии из сельскохозяйственного сырья используются в США, Японии, Китае, странах Европы и многих других.

Главным плюсом стала возможность производить биодизель из возобновляемого источника, чего нельзя сказать о нефти. Биодизелем можно заправлять практически все типы дизельных ДВС независимо от особенностей конструкции силового агрегата.

Плюсы и минусы биодизеля

К очевидным преимуществам биодизеля относят:

  • биотопливо обладает отличными смазочными свойствами;
  • разлитое топливо быстро разлагается микроорганизмами;
  • простоту, дешевизну и скорость производства биодизеля;
  • отсутствие резкого запаха и низкий уровень токсичности;

Биодизель имеет также определенные недостатки:

  • агрессивное воздействие на резиновые детали двигателя;
  • повышенную склонность к парафинизации в мороз;
  • вредное воздействие биогорючего на ЛКП автомобиля;
  • мощность дизеля на биотопливе падает, расход возрастает;

Действительно, биодизель агрессивно воздействует на резиновые элементы ДВС и другие детали, но степень этого воздействия несколько преувеличена. Своевременная замена и использование качественного моторного масла заметно снижает риск любых негативных последствий от использования биодизеля для мотора. При отрицательных температурах могут образоваться отложения в виде кристаллов воска, но и солярка требует перехода на зимнее или арктическое дизтопливо.

Известно, что биотопливо способно разрушать лакокрасочное покрытие кузова машины при попадании на него. Единственным способом защиты кузова становится незамедлительная и качественная мойка для удаления следов биодизеля с ЛКП автомобиля.

Что касается экологии, моторы на биодизеле выбрасывают на 4-5% меньше углекислого газа в атмосферу. Биодизельное топливо не полностью экологически чистый продукт, но сравнительно с привычным дизтопливом биодизель оказывается чище. Если сравнить обычную солярку и биодизель, тогда после сгорания биотоплива содержание окиси углерода в выхлопе до 10 % меньше, почти вдвое снижается показатель наличия сажи, а также в биодизеле намного меньше серы по сравнению с минеральным дизтопливом. В продуктах сгорания биодизеля только на 10 % больше окиси азота сравнительно с дизельным топливом, которое изготовлено из нефти.

Биотопливо незначительно изменяет характеристики мощности и расхода дизельных двигателей. Мощность дизельного мотора на биотопливе падает на 7–8 %, а расход такого горючего возрастает приблизительно на 800 грамм на одну сотню пройденных километров сравнительно с обычным дизельным горючим.

Из чего получают биотопливо

Ответить на вопрос, что такое биодизель, можно достаточно просто. Материалом для получения этого топлива выступают любые виды растительного масла или животные жиры. Подходит подсолнечное, соевое, рапсовое, арахисовое, льняное, пальмовое, кукурузное, конопляное, кунжутное и другие масла. Наибольшее распространение для изготовления биодизеля получил рапс. Рапсовое масло самое дешевое и доступное, что и привело к появлению так называемого рапсового биодизеля.

Биодизель, приготовленный из пальмового масла, позволяет обеспечить лучшую отдачу от мотора, но его показатель фильтруемости не подходит для стран, где отмечаются постоянные или сезонные низкие температуры.

Изготовление биодизеля

Биодизель представляет собой метиловый эфир, который получают методом химической реакции. Биотопливо можно использовать в качестве основного горючего для ДВС, а также свободно смешивать биодизель и солярку. В основе процесса изготовления биодизеля лежит снижение показателя вязкости, который имеет растительное масло. Вязкость снижается разными способами. Само растительное масло является смесью эфиров, которые связаны с молекулой глицерина. Такая смесь еще называется триглицерид. Еще одним компонентом в составе выступает трехатомный спирт.

Если коротко, то в очищенное от механических примесей растительное масло просто добавляется метиловый спирт и щёлочь. Смесь нагревают приблизительно до 50 °С. Далее происходит отстаивание и охлаждение, в результате чего имеет место расслаивание на две фракции. Эти фракции делятся на легкую и тяжёлую. Лёгкая фракция — метиловый эфир, который и называется биодизелем. Тяжёлой фракцией становится глицерин. Наличие глицерина обеспечивает маслу вязкость и плотность. Для получения биодизеля глицерин нужно удалить. Более того, его замещают спиртом. Данный процесс получил название трансэтерификации.

Первичным сырьем может быть любой вид растительного масла, в том числе и отработанное. Для последнего необходима качественная фильтрация, которая позволит удалить из отработки ненужные примеси и воду. Удаление воды является очень важным этапом, так как в процессе производства биодизеля из масла с водой произойдет гидролиз триглицеридов. Итоговым результатом станет не биотопливо, а соли жирных кислот.

Биодизель изготавливают по следующей схеме:

  1. масло нагревают до необходимой температуры;
  2. затем в масло добавляется катализатор;
  3. вместе с катализатором происходит добавление спирта;

Предварительный нагрев масла необходим для ускорения реакции. Добавляемый спирт может быть как метанолом, так и этанолом. Для первого случая результатом станет метиловый эфир, для второго-этиловый эфир. Дополнительным способом ускорения реакции может стать добавление кислоты. Полученная смесь тщательно перемешивается и затем некоторое время отстаивается.

Биодизель отличается тем, что имеет медовый цвет, глицерин в осадке более темного цвета. Следует добавить, что полученный из отработанного масла глицерин имеет коричневый цвет и склонен к затвердеванию при температуре около 37 градусов. Глицерин, который получен из свежего масла, способен оставаться жидким при более низких температурных показателях. Такой глицерин используется в виде побочного продукта в результате изготовления биотоплива. Из него заранее выпаривают метанол путем нагрева почти до 70 градусов и далее используют по назначению.

Промывка и фильтрация нужны для того, чтобы удалить остатки мыла, а также катализатора и других ненужных примесей. После промывки биодизель дополнительно осушают. Остатки воды удаляют путем добавления сульфата магния или других компонентов. Сам осушитель позже отфильтровывают.

Полученный биодизель оценивают визуально, методом проверки кислотно-щелочного pH баланса, а также другими способами. Визуально биотопливо должно иметь вид очищенного подсолнечного масла. В биодизеле недопустимы примеси, взвеси, частицы и любые замутнения. Мутный биодизель означает, что в нем присутствует вода. Такую воду выпаривают при помощи нагрева. Использование биодизеля требует повышенного внимания к работе топливной аппаратуры и тщательного контроля состояния топливных фильтров.

Если брать в расчет рапс, то с одного гектара этого растения добывают чуть более 1000 литров рапсового масла. Одна тонна растительного масла, 110 кг спирта и 12 кг катализатора позволяют получить на выходе около 970 кг биодизеля. Данное количество риблизительно равно 1100 литрам. Дополнительно получается еще около 150 кг глицерина.

Биотопливо своими руками: биодизель как альтернатива современному топливу

Для начала стоит определиться с самим определением биодизеля. Выдержка из википедии:“биодизель – это биотопливо на основе растительных или животных жиров (масел), а также продуктов их этерификации (реакции образования сложных эфиров в результате взаимодействия кислот и спиртов)”. Т.о. говоря о биодизеле, мы затрагиваем более обширную тему биотоплива своими руками. Очень сложно осветить ее целиком в одной статье, поэтому в ближайшем будущем появятся еще несколько статей на эту тему.

Производство биодизеля

Грубо говоря, производство биодизеля представляет собой процесс смешивания метилового спирта и масла, например, рапсового, предварительно очищенного от примесей. Катализатором сего процесса выступает щелочь. Сам процесс (в литературе называется процесс переэтерификации) протекает при нагреве смеси до 50 ºC. Далее смесь охлаждается и отстаивается. В результате получают две фракции: биодизель (метиловый эфир рапсового масла) и глицерин, который в последующем можно использовать при производстве мыла, некоторых фосфорных удобрений. Процесс повторяется несколько раз. В качестве сырья не всегда используют рапс. Также используют сою (США, Бразилия, Африка), пальмовое масло (Индонезия), кокосовое масло (Филиппины). Иногда вместо метанола могут использовать этанол. Чтобы представить масштабы производства биодизеля стоит сказать, что из 1 га посевов рапса можно получить примерно 1т масла. При производстве биодизеля на 1 т масла добавляют 110 литров метилового спирта. В некоторых источниках указано, что из 1т семян рапса получают 300 кг масла, что в конечном итоге позволит получить 270 кг дизельного биотоплива.

Достоинства и недостатки биодизеля

К достоинствам дизельного биотоплива можно отнести:

  • биодизельное топливо действительно является экологичным видом топлива;
  • обладает хорошими смазочными свойствами;
  • биодизель является безопасным видом топлива;
  • позволяет продлить срок службы двигателя.
  • требует подогрева для использования в зимнее время;
  • малый срок хранения, буквально несколько месяцев;
  • бытует мнение, что при использовании этого топлива создается благоприятная среда для появления микроорганизмов, которые активно появляются на стенках бака, в последствие они могут забивать топливные фильтры.
  • требует значительных площадей под посевы. Это может сыграть как положительную, так и отрицательную роль. С одной стороны это позволяет использовать неэксплуатируемые площади. С другой стороны появляется риск биодеградации грунтов и, как следствие, снижения качества почвы.

Применение биодизеля в наших условиях. Отзывы

В Беларуси биодизельное топливо (ДТ Б5) начали производить в 2007 году, в России оно появилось раньше. Сегодня оно реализуется на АЗС “Беларуснефть”, и представляет собой дизельное топливо с 5% добавлением рапсового метил-эфира. Как уже говорилось, зимой это топливо замерзает даже при незначительно низких температурах. С самого его появления в сети стали появляться довольно противоречивые отзывы автолюбителей. Кто-то сетовал на загрязнение сажевого фильтра и снижение тяги двигателя, кто-то же наоборот отметил более мягкую работу двигателя. В целом же положительных отзывов встречалось намного больше, видимо, нужно было некоторое время, чтобы попривыкнуть к новому топливу.

Биодизель своими руками

Во время написания статьи на форумах попадались некоторые темы, посвященные самостоятельному изготовлению биодизеля, однако конкретных видео или фотоотчетов не попадалось за исключением нескольких видео, представленных ниже. Стоит ли вообще изготавливать биодизель своими руками? В этом случае возникают сомнения о качестве получаемого топлива. Также не так просто найти сам метанол и лучше заранее подумать о том, что делать с глицерином. Ниже приведена схема кустарной установки.

Еще несколько видео на эту тему, видео украинского происхождения.

Еще парочку видео кустарной сборки, на русском:


В качестве заключения хотелось бы сказать, что идея экологически чистого топлива уже давно не является лишь теорией, а активно внедряется в жизнь, примером тому является использование того же дизельного биотоплива. Кроме того в разных странах активно ведутся поиски новых источников для биотоплива, причем в ход идет все что только можно, и получение нового биотоплива с улучшенными характеристиками является лишь вопросом времени. Наиболее популярной на сегодня является идея получения биодизеля из водорослей. Биодизель из водорослей не потребует больших площадей для посева, не будет замерзать при низких температурах и сможет быть использован в авиации и на флоте. Строительство же экспериментальных заводов по производству биодизеля из водорослей лишь подтверждает, что исследования в этой области будут продолжаться.