.JPG/1280px-R%C3%A9giolis_Granville-Paris_en_gare_d'Argentan_(ao%C3%BBt_2019).JPG)
Биодизель — это возобновляемое биотопливо , форма дизельного топлива , полученная из биологических источников, таких как растительные масла, животные жиры или переработанные жиры, и состоящая из сложных эфиров жирных кислот с длинной цепью . Обычно его делают из жиров. [1] [2]
Корни биодизельного топлива как источника топлива можно проследить до того, как Дж. Патрик и Э. Даффи впервые провели переэтерификацию растительного масла в 1853 году, еще до разработки Рудольфом Дизелем дизельного двигателя [3] . Двигатель Дизеля, первоначально разработанный для минерального масла, успешно работал на арахисовом масле на Парижской выставке 1900 года . Это знаковое событие подчеркнуло потенциал растительных масел как альтернативного источника топлива. Интерес к использованию растительных масел в качестве топлива периодически возрождался, особенно в периоды ограниченности ресурсов, такие как Вторая мировая война. Однако такие проблемы, как высокая вязкость и, как следствие, отложения в двигателе, были серьезными препятствиями. Современная форма биодизеля возникла в 1930-х годах, когда был найден метод преобразования растительных масел в топливо, что заложило основу для современного производства биодизеля.
Физические и химические свойства биодизеля различаются в зависимости от его источника и метода производства. Национальный совет по биодизелю США определяет «биодизель» как моноалкиловый эфир. [4] Его экспериментировали с железнодорожными локомотивами и электрогенераторами. Биодизель, как правило, характеризующийся более высокой температурой кипения и температурой вспышки, чем нефтедизель, слабо смешивается с водой и обладает отчетливыми смазочными свойствами. Его теплотворная способность примерно на 9% ниже, чем у стандартного дизельного топлива, что влияет на топливную экономичность . Производство биодизеля значительно эволюционировало: от ранних методов, включающих прямое использование растительных масел, до более продвинутых процессов, таких как переэтерификация, которая снижает вязкость и улучшает свойства сгорания. Примечательно, что при производстве биодизеля в качестве побочного продукта образуется глицерин, который имеет собственное коммерческое применение.
Основное применение биодизеля – транспорт. Были попытки сделать его биотопливом , то есть совместимым с существующими дизельными двигателями и инфраструктурой распределения. Однако его обычно смешивают с нефтедизельным топливом , обычно до менее 10%, поскольку большинство двигателей не могут работать на чистом биодизельном топливе без модификации. [5] [6] Процент биодизельного топлива в смеси обозначается коэффициентом «B». B100 представляет собой чистый биодизель, а такие смеси, как B20, содержат 20% биодизеля, а остальная часть представляет собой традиционный нефтедизель. Эти смеси предлагают компромисс между экологическими преимуществами биодизеля и эксплуатационными характеристиками стандартного дизельного топлива. Смеси биодизеля можно использовать в качестве печного топлива .
Воздействие биодизеля на окружающую среду сложное и варьируется в зависимости от таких факторов, как тип сырья, изменения в землепользовании и методы производства. Хотя биодизель потенциально может сократить выбросы парниковых газов по сравнению с ископаемым топливом, опасения по поводу биодизеля включают изменения в землепользовании, вырубку лесов и дебаты о продуктах питания и топливе. Дебаты сосредоточены на влиянии производства биодизеля на цены и доступность продуктов питания, а также на его общий углеродный след. Несмотря на эти проблемы, биодизель остается ключевым компонентом глобальной стратегии по снижению зависимости от ископаемого топлива и смягчению последствий изменения климата.
Смеси биодизельного топлива и обычного дизельного топлива на основе углеводородов чаще всего продаются для использования на розничном рынке дизельного топлива. В большинстве стран мира используется система, известная как коэффициент «В», для определения количества биодизельного топлива в любой топливной смеси: [7]
Смеси с содержанием биодизельного топлива 20% и ниже могут использоваться в дизельном оборудовании без каких-либо модификаций или с незначительными модификациями [8] , хотя некоторые производители не продлевают гарантийное покрытие, если оборудование повреждено этими смесями. Смеси от B6 до B20 соответствуют спецификации ASTM D7467. [9] Биодизель также может использоваться в чистом виде (B100), но может потребоваться определенная модификация двигателя, чтобы избежать проблем с обслуживанием и производительностью. [10] Смешивание B100 с нефтяным дизельным топливом может быть осуществлено путем:
Переэтерификация растительного масла была проведена еще в 1853 году Патриком Даффи, за четыре десятилетия до того, как первый дизельный двигатель начал работать. [11] [12] Более ранние процессы изготовления лампового масла были запатентованы (1810 г., Прага), но не публиковались в рецензируемых публикациях. Основная модель Рудольфа Дизеля , одиночный железный цилиндр длиной 10 футов (3,05 м) с маховиком в основании, впервые заработала на собственном ходу в Аугсбурге , Германия, 10 августа 1893 года, работая только на арахисовом масле . В память об этом событии 10 августа объявлено «Международным днем биодизеля». [13]
Часто сообщается, что Дизель спроектировал свой двигатель для работы на арахисовом масле, но это не так. Дизель заявил в своих опубликованных статьях: «На Парижской выставке 1900 года ( Exposition Universelle ) компания Отто продемонстрировала небольшой дизельный двигатель, который по требованию французского правительства работал на арахиде (земляной орех или арахис). ) на масле (см. биодизель), и работал так гладко, что об этом знали лишь немногие. Двигатель был сконструирован для использования минерального масла, а затем работал на растительном масле без каких-либо переделок. Французское правительство в то время считало, что проверки применимости для производства энергии арахиды, или земляного ореха, который растет в значительных количествах в их африканских колониях и может быть легко там культивирован». Сам Дизель позже провел соответствующие испытания и, похоже, поддержал эту идею. [14] В речи 1912 года Дизель сказал: «Использование растительных масел в качестве моторного топлива сегодня может показаться незначительным, но с течением времени такие масла могут стать столь же важными, как нефть и продукты каменноугольной смолы в настоящее время. "
Несмотря на широкое использование дизельного топлива, полученного из нефти, интерес к растительным маслам в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания отмечался в нескольких странах в 1920-30-е годы, а затем во время Второй мировой войны. Сообщается, что за это время Бельгия , Франция, Италия, Великобритания, Португалия , Германия, Бразилия , Аргентина , Япония и Китай протестировали и использовали растительные масла в качестве дизельного топлива. Сообщалось о некоторых проблемах в эксплуатации из-за высокой вязкости растительных масел по сравнению с нефтяным дизельным топливом, что приводит к плохому распылению топлива в топливных струях и часто приводит к отложениям и закоксовыванию форсунок, камеры сгорания и клапанов. Попытки решить эти проблемы включали нагревание растительного масла, смешивание его с дизельным топливом, полученным из нефти, или этанолом, пиролиз и крекинг масел.
31 августа 1937 года Г. Шаванну из Брюссельского университета (Бельгия) был выдан патент на «Процедуру трансформации растительных масел для их использования в качестве топлива» (фр. « Procédé de Transformation d'Huiles Végétales en Vue de Leur Utilization comme Carburants ») Патент Бельгии 422877. В этом патенте описан алкоголиз (часто называемый переэтерификацией) растительных масел с использованием этанола (и упоминается метанол) с целью отделения жирных кислот от глицерина путем замены глицерина короткими линейными спиртами. Похоже, это первый отчет о производстве того, что сегодня известно как «биодизель». [15] Это похоже (копия) на запатентованные методы, использовавшиеся в 18 веке для изготовления лампового масла, и в некоторых местах может быть вдохновлено некоторыми старыми историческими масляными лампами.
Совсем недавно, в 1977 году, бразильский ученый Экспедито Паренте изобрел и подал на патент первый промышленный процесс производства биодизельного топлива. [16] Этот процесс классифицируется как биодизель по международным нормам, что придает ему «стандартизированную идентичность и качество. Никакое другое предлагаемое биотопливо не было одобрено автомобильной промышленностью». [17] С 2010 года компания Паренте Tecbio работает с Boeing и НАСА над сертификацией биокеросина (биокеросин), еще одного продукта, произведенного и запатентованного бразильским ученым. [18]
Исследования по использованию трансэтерифицированного подсолнечного масла и его очистке до стандартов дизельного топлива были начаты в Южной Африке в 1979 году. К 1983 году процесс производства качественного биодизельного топлива, проверенного двигателем, был завершен и опубликован на международном уровне. [19] Австрийская компания Gaskoks получила технологию от южноафриканских инженеров сельского хозяйства; компания построила первый пилотный завод по производству биодизеля в ноябре 1987 года и первый завод промышленного масштаба в апреле 1989 года (мощностью 30 000 тонн рапса в год).
На протяжении 1990-х годов заводы были открыты во многих европейских странах, включая Чехию , Германию и Швецию . Франция начала местное производство биодизельного топлива (так называемого диэфира ) из рапсового масла, которое смешивается с обычным дизельным топливом на уровне 5%, а также с дизельным топливом, используемым некоторыми автопарками (например, общественным транспортом ) на уровне 30%. Renault , Peugeot и другие производители имеют сертифицированные двигатели грузовых автомобилей для использования с частичным содержанием биодизельного топлива до этого уровня; проводятся эксперименты с 50% биодизелем. В тот же период в странах других частей мира также началось местное производство биодизеля: к 1998 году Австрийский институт биотоплива определил 21 страну с коммерческими проектами по производству биодизеля. 100% биодизель теперь доступен на многих обычных автозаправочных станциях по всей Европе.
Цвет биодизеля варьируется от прозрачного до золотистого и темно-коричневого, в зависимости от метода производства и сырья, используемого для изготовления топлива. Это также меняет конечные свойства топлива. [20] Как правило, биодизель слабо смешивается с водой, имеет высокую температуру кипения и низкое давление паров . Температура вспышки биодизеля может превышать 130 °C (266 °F), [21] значительно выше, чем у нефтяного дизельного топлива, которая может составлять всего 52 °C (126 °F). [22] [23] Биодизель имеет плотность около ~0,88 г/см 3 , что выше, чем у нефтедизеля (~ 0,85 г/см 3 ). [22] [23]
Теплотворная способность биодизеля составляет около 37,27 МДж/кг. [24] Это на 9% ниже, чем у обычного нефтедизеля номер 2. Изменения плотности энергии биодизеля больше зависят от используемого сырья, чем от производственного процесса. Однако эти вариации меньше, чем для нефтедизеля. [25] Утверждалось, что биодизель обеспечивает лучшую смазывающую способность и более полное сгорание, тем самым увеличивая выходную мощность двигателя и частично компенсируя более высокую плотность энергии нефтедизеля. [26]
Биодизель также практически не содержит серы [27] и, хотя в нем отсутствуют соединения серы, которые в нефтедизеле обеспечивают большую часть смазывающей способности, оно обладает многообещающими смазочными свойствами и цетановым числом по сравнению с дизельным топливом с низким содержанием серы и часто служит добавкой к дизельному топливу со сверхнизким содержанием серы. (ULSD) для облегчения смазки. [28] Биодизельное топливо с более высокой смазывающей способностью может увеличить срок службы оборудования для впрыска топлива под высоким давлением, смазка которого зависит от топлива. В зависимости от двигателя это могут быть ТНВД, насос-форсунки (также называемые насос-форсунками ) и топливные форсунки .
Биодизель можно использовать в чистом виде (B100) или смешивать с нефтяным дизельным топливом в любой концентрации в большинстве дизельных двигателей с ТНВД. Новые двигатели Common Rail с экстремально высоким давлением (29 000 фунтов на квадратный дюйм) имеют строгие заводские ограничения B5 или B20, в зависимости от производителя. [29] Биодизель имеет свойства растворителя , отличные от нефтедизеля, и разрушает прокладки и шланги из натурального каучука в транспортных средствах (в основном транспортных средствах, выпущенных до 1992 года), хотя они имеют тенденцию изнашиваться естественным путем и, скорее всего, уже заменены на FKM , который нереактивен. на биодизель. Известно, что биодизель разрушает отложения остатков в топливопроводах, где использовался нефтедизель. [30] В результате топливные фильтры могут засориться твердыми частицами, если будет произведен быстрый переход на чистое биодизельное топливо. Поэтому рекомендуется менять топливные фильтры двигателей и отопителей вскоре после первого перехода на биодизельную смесь. [31]
После принятия Закона об энергетической политике в 2005 году использование биодизеля в Соединенных Штатах возросло. [32] В Великобритании Обязательства по возобновляемому транспортному топливу обязывают поставщиков включать 5% возобновляемого топлива во все транспортное топливо, продаваемое в Великобритании к 2010 году. Для дорожного дизельного топлива это фактически означает 5% биодизельного топлива (B5).
В 2005 году компания Chrysler (тогда входившая в состав DaimlerChrysler) выпустила с завода дизели Jeep Liberty CRD на европейский рынок с 5% -ной биодизельной смесью, что указывает, по крайней мере, на частичное признание биодизельного топлива в качестве приемлемой присадки к дизельному топливу. [33] В 2007 году DaimlerChrysler заявила о своем намерении увеличить гарантийное покрытие до 20% смесей биодизельного топлива, если качество биотоплива в Соединенных Штатах может быть стандартизировано. [34]
Группа Volkswagen опубликовала заявление, в котором указано, что некоторые из ее автомобилей совместимы с B5 и B100, изготовленными из рапсового масла, и совместимы со стандартом EN 14214 . Использование указанного типа биодизеля в автомобилях не лишает гарантии. [35]
Mercedes-Benz не разрешает использовать дизельное топливо, содержащее более 5% биодизельного топлива (B5), из-за опасений по поводу «недостатков производства». [36] Ограниченная гарантия Mercedes-Benz не распространяется на любые повреждения, вызванные использованием такого неодобренного топлива.
Начиная с 2004 года город Галифакс, Новая Шотландия, решил обновить свою автобусную систему, чтобы парк городских автобусов мог полностью работать на биодизельном топливе на основе рыбьего жира. Это вызвало у города некоторые первоначальные механические проблемы, но после нескольких лет доработки весь парк был успешно переоборудован. [37] [38] [39]
В 2007 году британский McDonald's объявил, что начнет производить биодизель из побочных продуктов переработки нефти своих ресторанов. Это топливо будет использоваться для работы флота. [40]
Chevy Cruze Clean Turbo Diesel 2014 года, поставляемый прямо с завода, будет иметь класс совместимости с биодизелем до B20 (смесь 20% биодизельного топлива и 80% обычного дизельного топлива) [41].
Британская железнодорожная компания Virgin Trains West Coast заявила, что запустила первый в Великобритании «биодизельный поезд», когда класс 220 был переоборудован для работы на 80% нефтедизельном топливе и 20% биодизельном топливе. [42] [43]
Британский королевский поезд 15 сентября 2007 года совершил свой первый рейс на 100% биодизельном топливе, поставляемом Green Fuels Ltd. Принц Чарльз и управляющий директор Green Fuels Джеймс Хайгейт были первыми пассажирами поезда, полностью работающего на биодизельном топливе. С 2007 года Royal Train успешно работает на B100 (100% биодизель). [44] В официальном документе правительства также предлагалось перевести значительную часть железных дорог Великобритании на биодизельное топливо, но впоследствии это предложение было отклонено в пользу дальнейшей электрификации. [45]
Аналогичным образом, летом 2008 года государственная короткая железная дорога в Восточном Вашингтоне провела испытание смеси, состоящей из 25% биодизеля и 75% нефтедизеля, закупив топливо у производителя биодизеля, расположенного вдоль железнодорожных путей. [46] Поезд будет работать на биодизельном топливе, частично производимом из канолы, выращенной в сельскохозяйственных регионах, через которые проходит короткая линия.
Также в 2007 году Диснейленд начал курсировать по парку поездов на B98 (98% биодизель). Программа была прекращена в 2008 году из-за проблем с хранением, но в январе 2009 года было объявлено, что все поезда парка будут работать на биодизельном топливе, произведенном из собственных отработанных кулинарных масел. Это переход от эксплуатации поездов на биодизельном топливе на основе сои. [47]
В 2007 году историческая зубчатая железная дорога на горе Вашингтон пополнила свой парк паровозов первым биодизельным локомотивом. Флот поднимался по западным склонам горы Вашингтон в Нью-Гэмпшире с 1868 года с максимальным подъемом по вертикали 37,4 градуса. [48]
8 июля 2014 года [49] тогдашний министр железных дорог Индии Д.В. Садананда Гауда объявил в журнале «Железный бюджет», что 5% биодизельного топлива будет использоваться в дизельных двигателях Индийских железных дорог. [50]
Биодизель также может использоваться в качестве топлива для отопления в бытовых и коммерческих котлах. Это смесь печного топлива и биотоплива , которая стандартизируется и облагается налогом немного иначе, чем дизельное топливо, используемое для транспорта. Биотопливо представляет собой запатентованную смесь биодизельного топлива и традиционного печного топлива. Bioheat является зарегистрированной торговой маркой Национального совета по биодизельному топливу [NBB] и Национального исследовательского альянса по масляному теплу [NORA] в США и Columbia Fuels в Канаде. [51] Отопительный биодизель доступен в различных смесях. ASTM 396 признает смеси, содержащие до 5 процентов биодизельного топлива, эквивалентными чистому нефтяному мазуту. Многие потребители используют смеси с более высоким содержанием биотоплива (до 20%). В настоящее время проводятся исследования, чтобы определить, влияют ли такие смеси на производительность.
Старые печи могут содержать резиновые детали, на которые могут повлиять растворяющие свойства биодизеля, но в противном случае биодизель может сжигаться без необходимости какой-либо переработки. Необходимо соблюдать осторожность, поскольку лаки, оставленные нефтедизелем, выделяются и могут засорить трубы — необходима фильтрация топлива и своевременная замена фильтров. Другой подход заключается в том, чтобы начать использовать биодизельное топливо в виде смеси, а уменьшение доли нефти с течением времени может позволить лакам сходить более постепенно и снизить вероятность засорения. Благодаря сильным растворяющим свойствам биодизеля печь очищается и в целом становится более эффективной. [52]
Закон, принятый губернатором Массачусетса Девалем Патриком, требует, чтобы все дизельное топливо для отопления домов в этом штате содержало 2% биотоплива к 1 июля 2010 года и 5% биотоплива к 2013 году. [53] Город Нью-Йорк принял аналогичный закон.
Поскольку 80–90% затрат на разливы нефти инвестируются в очистку береговой линии, ведется поиск более эффективных и экономичных методов удаления разливов нефти с береговой линии. [54] Биодизель продемонстрировал свою способность значительно растворять сырую нефть, в зависимости от источника жирных кислот. В лабораторных условиях замасленные отложения, имитирующие загрязненную береговую линию, были распылены одним слоем биодизеля и подвергнуты воздействию имитированных приливов. [55] Биодизельное топливо является эффективным растворителем нефти благодаря содержанию в нем метилового эфира, который значительно снижает вязкость сырой нефти. Кроме того, он имеет более высокую плавучесть, чем сырая нефть, что впоследствии способствует его удалению. В результате из булыжника и мелкого песка было удалено 80% нефти, из крупного песка — 50%, из гравия — 30%. После выхода нефти с береговой линии смесь нефти и биодизеля вручную удаляется с поверхности воды с помощью скиммеров. Любая оставшаяся смесь легко разрушается из-за высокой биоразлагаемости биодизеля и увеличенной площади воздействия смеси.
В 2001 году Калифорнийский университет в Риверсайде установил систему резервного электроснабжения мощностью 6 мегаватт, полностью работающую на биодизельном топливе. Резервные дизельные генераторы позволяют компаниям избежать разрушительных отключений электроэнергии на критически важных объектах за счет высоких уровней загрязнения и выбросов. Используя B100, эти генераторы смогли практически устранить побочные продукты, которые приводят к выбросам смога, озона и серы. [56] Использование этих генераторов в жилых районах вокруг школ, больниц и среди населения приводит к существенному сокращению выбросов ядовитого угарного газа и твердых частиц. [57]
Выходная мощность биодизеля зависит от его смеси, качества и условий нагрузки, при которых топливо сжигается. Термический КПД, например, B100 по сравнению с B20 будет различаться из-за разного содержания энергии в различных смесях. Термический КПД топлива частично основан на его характеристиках, таких как: вязкость , удельная плотность и температура вспышки ; эти характеристики будут меняться по мере изменения смесей и качества биодизеля. Американское общество по испытаниям и материалам установило стандарты для оценки качества конкретного образца топлива. [58]
Одно исследование показало, что термический КПД тормозов B40 превосходил традиционный нефтяной аналог при более высоких степенях сжатия (этот более высокий тепловой КПД тормозов был зафиксирован при степени сжатия 21:1). Было отмечено, что по мере увеличения степени сжатия увеличивается эффективность всех видов топлива, а также испытуемых смесей; хотя было обнаружено, что смесь B40 была наиболее экономичной при степени сжатия 21: 1 по сравнению со всеми другими смесями. Исследование показало, что это увеличение эффективности произошло из-за плотности, вязкости и теплотворной способности топлива. [59]
Топливные системы некоторых современных дизельных двигателей не предназначены для использования биодизеля, в то время как многие двигатели большой мощности могут работать на смесях биодизеля до B20. [5] Традиционные топливные системы с прямым впрыском работают при давлении примерно 3000 фунтов на квадратный дюйм на кончике форсунки, тогда как современная топливная система Common Rail работает при давлении выше 30 000 фунтов на квадратный дюйм на кончике форсунки. Компоненты рассчитаны на работу в широком диапазоне температур: от нуля до температуры выше 1000 °F (560 °C). Ожидается, что дизельное топливо будет эффективно сгорать и производить как можно меньше выбросов. По мере введения норм выбросов для дизельных двигателей необходимость контроля вредных выбросов закладывается в параметры топливных систем дизельных двигателей. Традиционная рядная система впрыска более снисходительна к топливу более низкого качества, в отличие от топливной системы Common Rail. Более высокие давления и более жесткие допуски системы Common Rail позволяют лучше контролировать распыление и время впрыска. Такой контроль распыления и сгорания позволяет повысить эффективность современных дизельных двигателей, а также лучше контролировать выбросы. Компоненты дизельной топливной системы взаимодействуют с топливом таким образом, чтобы обеспечить эффективную работу топливной системы и, следовательно, двигателя. Если в систему, имеющую определенные параметры работы, попадает топливо, не соответствующее техническим характеристикам, целостность всей топливной системы может быть нарушена. Некоторые из этих параметров, такие как форма распыла и распыление, напрямую связаны с временем впрыска. [60]
Одно исследование показало, что во время распыления биодизельное топливо и его смеси образуют капли большего диаметра, чем капли, получаемые традиционным нефтедизельным топливом. Меньшие капли были объяснены более низкой вязкостью и поверхностным натяжением традиционного дизельного топлива. Было обнаружено, что капли на периферии факела распыления были больше в диаметре, чем капли в центре. Это было связано с более быстрым падением давления на краю факела распыла; существовала пропорциональная зависимость между размером капли и расстоянием от кончика инжектора. Было обнаружено, что В100 обладает наибольшей проникающей способностью при распылении, что объясняется большей плотностью В100. [61] Больший размер капель может привести к неэффективности сгорания, увеличению выбросов и снижению мощности. В другом исследовании было обнаружено, что при впрыскивании биодизеля происходит небольшая задержка впрыска. Эта задержка впрыска была связана с большей вязкостью биодизеля. Отмечено, что более высокая вязкость и большее цетановое число биодизеля по сравнению с традиционным нефтедизелем приводят к ухудшению распыления, а также проникновению смеси с воздухом в период задержки воспламенения. [62] Другое исследование показало, что такая задержка воспламенения может способствовать снижению выбросов NO x . [63]
Выбросы связаны со сжиганием дизельного топлива, которое регулируется Агентством по охране окружающей среды США ( EPA ). Поскольку эти выбросы являются побочным продуктом процесса сгорания, для обеспечения соответствия требованиям EPA топливная система должна быть способна контролировать сжигание топлива, а также снижать выбросы. Поэтапно внедряется ряд новых технологий для контроля выбросов дизельных двигателей. Система рециркуляции выхлопных газов (EGR) и сажевый фильтр (DPF) предназначены для снижения вредных выбросов. [64]
Сырье, используемое для производства биодизельного топлива, может значительно изменить образующиеся в результате выбросы выхлопных газов и твердых частиц, [65] [66] даже при смешивании с коммерческим дизельным топливом. [67] Исследование, проведенное Национальным университетом Чонбука, пришло к выводу, что биодизельная смесь B30 снижает выбросы угарного газа примерно на 83%, а выбросы твердых частиц примерно на 33%. Однако было обнаружено, что выбросы NO x увеличиваются без применения системы EGR. Исследование также пришло к выводу, что благодаря EGR биодизельная смесь B20 значительно снижает выбросы двигателя. [68] Кроме того, анализ, проведенный Калифорнийским советом по воздушным ресурсам, показал, что биодизель имеет самые низкие выбросы углерода среди протестированных видов топлива, среди которых дизельное топливо со сверхнизким содержанием серы , бензин, этанол на основе кукурузы , сжатый природный газ и пять типов биодизеля. из различного сырья. Их выводы также показали большие различия в выбросах углерода от биодизеля в зависимости от используемого сырья. Из сои , жира , канолы , кукурузы и использованного кулинарного масла соя показала самые высокие выбросы углекислого газа, а использованное кулинарное масло - наименьшее. [69]
При изучении влияния биодизеля на сажевые фильтры было обнаружено, что, хотя присутствие карбонатов натрия и калия способствует каталитической конверсии золы, поскольку дизельные частицы катализируются, они могут собираться внутри DPF и, таким образом, мешать зазорам. фильтра. [ необходимо разъяснение ] Это может привести к засорению фильтра и вмешательству в процесс регенерации. [70] В исследовании влияния скорости рециркуляции выхлопных газов на смеси биодизельного топлива из ятропы было показано, что наблюдается снижение топливной эффективности и выходного крутящего момента из-за использования биодизельного топлива в дизельном двигателе, оснащенном системой рециркуляции отработавших газов. Было обнаружено, что выбросы CO и CO 2 увеличиваются с увеличением рециркуляции выхлопных газов, но уровни NO x снижаются. Уровень непрозрачности смесей ятропы находился в приемлемом диапазоне, в то время как традиционное дизельное топливо выходило за рамки приемлемых стандартов. Было показано, что снижение выбросов Nox можно получить с помощью системы EGR. Это исследование показало преимущество перед традиционным дизелем в определенном рабочем диапазоне системы EGR. [71]
По состоянию на 2017 год смешанные биодизельные топлива (особенно B5, B8 и B20) регулярно используются во многих тяжелых транспортных средствах, особенно в транзитных автобусах в городах США. Характеристика выбросов выхлопных газов показала значительное снижение выбросов по сравнению с обычным дизельным двигателем. [5]
Биодизель имеет ряд стандартов качества, включая европейский стандарт EN 14214 , ASTM International D6751 и национальный стандарт Канады CAN/CGSB-3.524.
ASTM D6751 (Американское общество по испытаниям и материалам) подробно описывает стандарты и спецификации для биодизельного топлива, смешанного со среднедистиллятным топливом. Этот стандарт спецификации определяет различные методы испытаний, которые будут использоваться при определении определенных свойств смесей биодизельного топлива. Некоторые из упомянутых испытаний включают температуру вспышки и кинематическую вязкость.[2]
Когда биодизель охлаждается ниже определенной точки, некоторые молекулы агрегируют и образуют кристаллы. Топливо начинает казаться мутным, когда кристаллы становятся больше четверти длины волны видимого света – это точка помутнения (CP). По мере дальнейшего охлаждения топлива эти кристаллы становятся крупнее. Самая низкая температура, при которой топливо может проходить через фильтр с размером пор 45 микрометров, — это точка засорения холодного фильтра (CFPP). [73] По мере дальнейшего охлаждения биодизельное топливо превращается в гель, а затем затвердевает. В Европе существуют различия в требованиях CFPP между странами. Это отражено в различных национальных стандартах этих стран. Температура, при которой чистый биодизель (B100) начинает превращаться в гель, значительно варьируется и зависит от смеси сложных эфиров и, следовательно, от исходного масла, используемого для производства биодизельного топлива. Например, биодизель, произведенный из сортов семян канолы с низким содержанием эруковой кислоты (RME), начинает образовывать гель примерно при -10 ° C (14 ° F). Биодизельное топливо, произведенное из говяжьего жира и пальмового масла, имеет тенденцию к гелеобразованию при температуре около 16 ° C (61 ° F) и 13 ° C (55 ° F) соответственно. [74] Существует ряд коммерчески доступных присадок, которые значительно снижают температуру застывания и температуру засорения холодного фильтра чистого биодизельного топлива. Зимняя эксплуатация также возможна за счет смешивания биодизельного топлива с другими мазутами, включая дизельное топливо с низким содержанием серы №2 и дизельное топливо/ керосин №1 .
Другой подход к облегчению использования биодизеля в холодных условиях заключается в использовании второго топливного бака для биодизеля в дополнение к стандартному баку для дизельного топлива. Второй топливный бак можно изолировать , и через бак пропустить нагревательный змеевик , использующий охлаждающую жидкость двигателя . Топливные баки можно переключать, когда топливо достаточно теплое. Подобный метод можно использовать и для эксплуатации дизельных автомобилей, использующих чистое растительное масло.
Биодизель может содержать небольшие, но проблематичные количества воды. Хотя он лишь незначительно смешивается с водой, он гигроскопичен . [75] Одной из причин, по которой биодизель может поглощать воду, является сохранение моно- и диглицеридов, оставшихся после незавершенной реакции. Эти молекулы могут действовать как эмульгатор, позволяя воде смешиваться с биодизелем. [ нужна ссылка ] Кроме того, может присутствовать вода, оставшаяся после обработки или образовавшаяся в результате конденсации в резервуаре для хранения . Наличие воды является проблемой, потому что:
Раньше количество воды, загрязняющей биодизель, было трудно измерить путем отбора проб, поскольку вода и масло разделяются. Однако теперь можно измерить содержание воды с помощью датчиков воды в масле. [76]
Загрязнение воды также является потенциальной проблемой при использовании некоторых химических катализаторов , участвующих в производственном процессе, что существенно снижает каталитическую эффективность основных катализаторов (с высоким pH), таких как гидроксид калия . Однако было показано, что методология производства сверхкритического метанола, при которой процесс переэтерификации нефтяного сырья и метанола осуществляется при высокой температуре и давлении, в значительной степени не зависит от присутствия загрязнения воды на этапе производства.
В 2005 году мировое производство биодизеля достигло 3,8 миллиона тонн. Примерно 85% производства биодизеля приходилось на Европейский Союз. [ нужна ссылка ] [77]
Биодизельное топливо обычно производят путем переэтерификации растительного масла или животного жира, а также другого несъедобного сырья, такого как масло для жарки и т. д. Существует несколько методов проведения этой реакции переэтерификации, включая обычный периодический процесс, гетерогенные катализаторы, [ 78] сверхкритические процессы, ультразвуковые и даже микроволновые методы.
С химической точки зрения трансэтерифицированное биодизельное топливо представляет собой смесь моноалкиловых эфиров длинноцепочечных жирных кислот . В наиболее распространенной форме используется метанол (преобразованный в метилат натрия) для производства метиловых эфиров (обычно называемых метиловым эфиром жирных кислот – FAME), поскольку это самый дешевый доступный спирт, хотя этанол можно использовать для производства этилового эфира (обычно называемого как этиловый эфир жирных кислот – FAEE), также использовались биодизельное топливо и высшие спирты, такие как изопропанол и бутанол . Использование спиртов с более высокой молекулярной массой улучшает свойства хладотекучести полученного сложного эфира за счет менее эффективной реакции переэтерификации. Процесс производства переэтерификации липидов используется для преобразования базового масла в нужные сложные эфиры. Любые свободные жирные кислоты (СЖК) в базовом масле либо преобразуются в мыло и удаляются из процесса, либо этерифицируются (с получением большего количества биодизельного топлива) с использованием кислотного катализатора. После этой обработки, в отличие от обычного растительного масла , биодизельное топливо имеет свойства сгорания, очень похожие на свойства нефтяного дизельного топлива, и может заменить его в большинстве современных применений.
Метанол, используемый в большинстве процессов производства биодизеля, производится с использованием ископаемого топлива. Однако существуют источники возобновляемого метанола , изготовленные с использованием диоксида углерода или биомассы в качестве сырья, что делает их производственные процессы свободными от ископаемого топлива. [79]
Побочным продуктом процесса переэтерификации является производство глицерина . На каждую тонну биодизеля производится 100 кг глицерина. Первоначально существовал ценный рынок для глицерина, что способствовало экономике процесса в целом. Однако с увеличением мирового производства биодизеля рыночная цена на этот сырой глицерин (содержащий 20% воды и остатки катализатора) упала. Во всем мире проводятся исследования по использованию этого глицерина в качестве химического строительного блока (см. химическое промежуточное соединение в статье Википедии « Глицерин »). Одной из инициатив в Великобритании является «Вызов глицерина». [80]
Обычно этот сырой глицерин необходимо очищать, обычно путем проведения вакуумной перегонки. Это довольно энергозатратно. Рафинированный глицерин (чистота 98%+) можно затем использовать напрямую или преобразовать в другие продукты. В 2007 году были сделаны следующие объявления: совместное предприятие Ashland Inc. и Cargill объявило о планах производить пропиленгликоль в Европе из глицерина [81] , а Dow Chemical объявила об аналогичных планах для Северной Америки. [82] Dow также планирует построить в Китае завод по производству эпихлоргидрина из глицерина. [83] Эпихлоргидрин является сырьем для эпоксидных смол .
В 2007 году мощности по производству биодизельного топлива быстро росли, при этом среднегодовые темпы роста с 2002 по 2006 год составляли более 40%. [84] В 2006 году, последнем, по которому удалось получить фактические данные о производстве, общий объем мирового производства биодизельного топлива составил около 5–6 миллионов тонн, при этом 4,9 миллиона тонн перерабатывались в Европе (из которых 2,7 миллиона тонн приходилось на Германию), а большая часть остальное из США. В 2008 году производство только в Европе выросло до 7,8 миллиона тонн. [85] В июле 2009 года была добавлена пошлина на американский биодизель, импортируемый в Европейский Союз, чтобы сбалансировать конкуренцию со стороны европейских, особенно немецких производителей. [86] [87] Мощность на 2008 год в Европе составила 16 миллионов тонн. Для сравнения: общий спрос на дизельное топливо в США и Европе составляет примерно 490 миллионов тонн (147 миллиардов галлонов). [88] Общее мировое производство растительного масла для всех целей в 2005–2006 годах составило около 110 миллионов тонн, из них примерно по 34 миллиона тонн приходится на пальмовое и соевое масло . [89] По состоянию на 2018 год Индонезия является крупнейшим в мире поставщиком биотоплива на основе пальмового масла с годовым объемом производства 3,5 миллиона тонн, [90] [91] и, как ожидается, будет экспортировать около 1 миллиона тонн биодизеля. [92]
Производство биодизеля в США в 2011 году вывело отрасль на новую веху. В соответствии со стандартом EPA по возобновляемым видам топлива для заводов по производству биодизельного топлива были реализованы целевые показатели, позволяющие отслеживать и документировать уровни производства в сравнении с общим спросом. Согласно данным на конец года, опубликованным Агентством по охране окружающей среды, производство биодизеля в 2011 году достигло более 1 миллиарда галлонов. Этот объем производства намного превысил целевой показатель в 800 миллионов галлонов, установленный Агентством по охране окружающей среды. Прогнозируемое производство на 2020 год составляет почти 12 миллиардов галлонов. [93]
Для производства биодизеля можно использовать различные масла. К ним относятся:
Многие сторонники предполагают, что отработанное растительное масло является лучшим источником масла для производства биодизельного топлива, но поскольку имеющиеся запасы значительно меньше, чем количество нефтяного топлива, которое сжигается для транспорта и отопления домов в мире, это местное решение не может масштабировать до текущего уровня потребления.
Животные жиры являются побочным продуктом мясного производства и приготовления пищи. Хотя выращивать животных (или ловить рыбу) просто ради жира было бы неэффективно, использование побочных продуктов повышает ценность животноводческой отрасли (свиней, крупного рогатого скота, птицы). Сегодня биодизельные предприятия, работающие с несколькими видами сырья, производят высококачественное биодизельное топливо на основе животного жира. [99] [100] В настоящее время в США строится завод стоимостью 5 миллионов долларов с намерением производить 11,4 миллиона литров (3 миллиона галлонов) биодизеля из примерно 1 миллиарда кг (2,2 миллиарда фунтов) куриного мяса. жир [101] ежегодно производится на местной птицефабрике «Тайсон». [95] Аналогичным образом, некоторые небольшие заводы по производству биодизельного топлива используют в качестве сырья отработанный рыбий жир. [102] [103] Проект, финансируемый ЕС (ENERFISH), предполагает, что на вьетнамском заводе по производству биодизельного топлива из сома (баса, также известного как пангасиус) можно производить 13 тонн биодизеля в день из 81 тонны рыбные отходы (в свою очередь образующиеся из 130 тонн рыбы). В этом проекте биодизель используется в качестве топлива для ТЭЦ на рыбоперерабатывающем заводе, в основном для питания установки по заморозке рыбы. [104]
Текущее мировое производство растительного масла и животного жира недостаточно для замены использования жидкого ископаемого топлива. Более того, некоторые возражают против огромного объема сельского хозяйства и, как следствие, внесения удобрений , использования пестицидов и переустройства землепользования, которые потребуются для производства дополнительного растительного масла. [105] Преимущества водорослей заключаются в том, что их можно выращивать на непахотных землях, таких как пустыни или в морской среде, а потенциальные урожаи нефти намного выше, чем от растений.
Эффективность выхода сырья на единицу площади влияет на возможность наращивания производства до огромного промышленного уровня, необходимого для питания значительного процента транспортных средств.
Выход топлива из водорослей еще точно не определен, но, как сообщается, Министерство энергетики сообщает, что водоросли дают в 30 раз больше энергии на акр, чем наземные культуры, такие как соевые бобы. [107] Урожайность в 36 тонн/га считает практичной Ами Бен-Амоц из Института океанографии в Хайфе , который занимается коммерческим выращиванием водорослей более 20 лет. [108]
Ятрофа упоминается как высокоурожайный источник биодизельного топлива, но урожайность сильно зависит от климатических и почвенных условий. По оценкам нижнего предела, урожайность составляет около 200 галлонов США на акр (1,5-2 тонны на гектар) с урожая; в более благоприятном климате можно получить два и более урожаев в год. [109] Он выращивается на Филиппинах , в Мали и Индии , устойчив к засухе и может делить пространство с другими товарными культурами, такими как кофе, сахар, фрукты и овощи. [110] По мнению его сторонников, он хорошо подходит для полузасушливых земель и может способствовать замедлению опустынивания . [111]
Полный переход на биотопливо может потребовать огромных участков земли, если будут использоваться традиционные продовольственные культуры (хотя можно использовать и непродовольственные культуры ). Эта проблема будет особенно серьезной для стран с крупной экономикой, поскольку потребление энергии растет вместе с экономическим объемом производства. [112]
Для стран третьего мира источники биодизеля, использующие малоплодородные земли, могли бы иметь больше смысла; например, орехи масличного дерева понгам , выращенные вдоль дорог, или ятрофа, выращенная вдоль железнодорожных путей. [113]
В тропических регионах, таких как Малайзия и Индонезия, быстрыми темпами высаживаются заводы по производству пальмового масла для удовлетворения растущего спроса на биодизельное топливо в Европе и на других рынках. Ученые доказали, что вырубка тропических лесов ради пальмовых плантаций не является экологически обоснованной, поскольку расширение плантаций масличных пальм представляет угрозу для естественных тропических лесов и биоразнообразия. [114]
В Германии было подсчитано, что дизельное топливо на пальмовом масле составляет менее одной трети затрат на производство биодизельного топлива из рапса. [115]
Было проведено множество экономических исследований относительно экономического воздействия производства биодизеля. Одно исследование, проведенное по заказу Национального совета по биодизельному топливу, показало, что производство биодизеля обеспечивает более 64 000 рабочих мест. [93] Рост производства биодизельного топлива также помогает значительно увеличить ВВП. В 2011 году биодизель принес ВВП более 3 миллиардов долларов. Судя по продолжающемуся росту стандарта на возобновляемое топливо и расширению налоговых льгот на биодизель, количество рабочих мест может увеличиться до 50 725, доход составит 2,7 миллиарда долларов, а ВВП достигнет 5 миллиардов долларов к 2012 и 2013 годам. [116]
Одним из основных факторов внедрения биодизеля является энергетическая безопасность . Это означает, что зависимость страны от нефти снижается и заменяется использованием местных источников, таких как уголь, газ или возобновляемые источники. Таким образом, страна может получить выгоду от внедрения биотоплива без сокращения выбросов парниковых газов. Хотя общий энергетический баланс обсуждается, очевидно, что зависимость от нефти снижается. Одним из примеров является энергия, используемая для производства удобрений, которая может поступать из различных источников, помимо нефти. Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии США (NREL) заявляет, что энергетическая безопасность является движущей силой номер один в программе США по биотопливу, [117] а документ Белого дома «Энергетическая безопасность в 21 веке» ясно дает понять, что энергетическая безопасность является важной Причина продвижения биодизеля. [118] Бывший президент комиссии ЕС Жозе Мануэль Баррозу, выступая на недавней конференции ЕС по биотопливу, подчеркнул, что правильное управление биотопливом может укрепить безопасность поставок в ЕС за счет диверсификации источников энергии. [119]
Многие страны мира участвуют в растущем использовании и производстве биотоплива, такого как биодизель, в качестве альтернативного источника энергии по сравнению с ископаемым топливом и нефтью. Чтобы способствовать развитию биотопливной промышленности, правительства приняли законы и законы в качестве стимулов для снижения зависимости от нефти и увеличения использования возобновляемых источников энергии. [120] Многие страны имеют свою собственную независимую политику в отношении налогообложения и скидок на использование, импорт и производство биодизеля.
Законопроект C-33 Закона Канады об охране окружающей среды требовал, чтобы к 2010 году бензин содержал 5% возобновляемых источников энергии, а к 2013 году дизельное топливо и печное топливо содержали 2% возобновляемых источников энергии. [120] Программа «ЭкоЭНЕРГИЯ для биотоплива» субсидировала производство биодизеля, среди других видов биотоплива, посредством стимулирующей ставки в размере 0,20 канадского доллара за литр с 2008 по 2010 год. Снижение на 0,04 доллара будет применяться каждый последующий год, пока ставка стимулирования не достигнет 0,06 доллара США в следующем году. 2016. В отдельных провинциях также приняты конкретные законодательные меры в отношении использования и производства биотоплива. [121]
Акцизный налоговый кредит на объем этанола (VEETC) был основным источником финансовой поддержки биотоплива, срок его действия истекал в 2010 году. Благодаря этому закону производство биодизеля гарантировало налоговую льготу в размере 1 доллара США за галлон, произведенный из натуральных масел, и 0,50 доллара США за галлон, произведенный из натуральных масел. галлон из переработанных масел. [122] В настоящее время соевое масло используется для производства соевого биодизельного топлива для многих коммерческих целей, таких как смешивание топлива для транспортного сектора. [5]
Европейский Союз является крупнейшим производителем биодизеля, а Франция и Германия являются ведущими производителями. Чтобы увеличить использование биодизельного топлива, существует политика, требующая смешивания биодизельного топлива с топливом, включая штрафы, если эти нормы не достигаются. Во Франции целью было достичь 10% интеграции, но планы по этому были прекращены в 2010 году. [120] В качестве стимула для стран Европейского Союза продолжать производство биотоплива существуют налоговые скидки для конкретных квот производимого биотоплива. В Германии минимальный процент биодизеля в транспортном дизельном топливе установлен на уровне 7%, так называемый «B7».
Малайзия планирует реализовать общенациональную программу биотоплива из пальмового масла B20 к концу 2022 года. Мандат на производство биотоплива с 20% содержанием пальмового масла – известного как B20 – для транспортного сектора был впервые развернут в январе 2020 года, но задержки из-за ограничений на передвижение, введенных для сдерживания вспышек коронавируса. [123]
До 40% кукурузы, производимой в США, используется для производства этанола, [124] а во всем мире 10% всего зерна перерабатывается в биотопливо. [125] Сокращение на 50% количества зерна, используемого для производства биотоплива в США и Европе, заменит весь экспорт зерна из Украины . [126]
В некоторых бедных странах рост цен на растительное масло вызывает проблемы. [127] [128] Некоторые предлагают производить топливо только из несъедобных растительных масел, таких как рыжик , ятрофа или приморская мальва [129] , которые могут процветать на маргинальных сельскохозяйственных угодьях, где многие деревья и сельскохозяйственные культуры не растут или производят только низкая урожайность.
Другие утверждают, что проблема более фундаментальна. Фермеры могут переключиться с производства продовольственных культур на производство биотопливных культур, чтобы заработать больше денег, даже если новые культуры несъедобны. [130] [131] Закон спроса и предложения предсказывает, что если меньше фермеров будут производить продукты питания, цены на продукты питания вырастут. Это может занять некоторое время, поскольку фермерам может потребоваться некоторое время, чтобы изменить то, что они выращивают, но растущий спрос на биотопливо первого поколения , вероятно, приведет к росту цен на многие виды продуктов питания. Некоторые отмечают, что есть бедные фермеры и бедные страны, которые зарабатывают больше денег из-за более высоких цен на растительное масло. [132]
Биодизель из морских водорослей не обязательно заменит наземные земли, которые в настоящее время используются для производства продуктов питания, и могут быть созданы новые рабочие места в сфере альгакультуры .
Для сравнения следует отметить, что при производстве биогаза используются сельскохозяйственные отходы для производства биотоплива, известного как биогаз, а также производится компост , тем самым улучшая сельское хозяйство, устойчивость и производство продуктов питания.
Проводились исследования по поиску более подходящих культур и повышению урожайности масла. Возможны и другие источники, включая человеческие фекалии : в Гане строится первый «завод по производству биодизельного топлива, питаемый фекальными осадками». [133]
Специально выведенные сорта горчицы могут давать достаточно высокие урожаи масла и очень полезны в севообороте с зерновыми, а также имеют дополнительное преимущество, заключающееся в том, что остатки муки после отжима масла могут действовать как эффективный и биоразлагаемый пестицид. [134]
NFESC совместно с компанией Biodiesel Industries, расположенной в Санта-Барбаре , работает над разработкой биодизельных технологий для военно-морского флота и вооруженных сил США, одного из крупнейших потребителей дизельного топлива в мире. [135]
Группа испанских разработчиков, работающих в компании Ecofasa, анонсировала новое биотопливо, изготовленное из мусора. Топливо создается из обычных городских отходов, которые обрабатываются бактериями для производства жирных кислот, которые можно использовать для производства биодизельного топлива. [136]
Другой подход, не требующий использования химикатов для производства, предполагает использование генетически модифицированных микробов. [137] [138]
С 1978 по 1996 год NREL США экспериментировал с использованием водорослей в качестве источника биодизеля в « Программе водных видов ». [117] Самостоятельно опубликованная статья Майкла Бриггса из UNH Biodiesel Group предлагает оценки реалистичной замены всего автомобильного топлива биодизельным топливом за счет использования водорослей с содержанием природного масла более 50%, которые, по мнению Бриггса, можно выращивать. на прудах с водорослями на очистных сооружениях. [139] Эти богатые нефтью водоросли затем можно извлечь из системы и переработать в биодизель, а высушенный остаток дополнительно переработать для создания этанола.
Производство водорослей для сбора нефти для биодизельного топлива еще не осуществлялось в коммерческих масштабах, но были проведены технико-экономические обоснования для получения вышеуказанной оценки урожайности. Помимо прогнозируемой высокой урожайности, альгакультура — в отличие от биотоплива на основе сельскохозяйственных культур — не влечет за собой снижения производства продуктов питания , поскольку для нее не требуются ни сельскохозяйственные угодья , ни пресная вода . Многие компании используют биореакторы из водорослей для различных целей, включая увеличение производства биодизеля до коммерческого уровня. [140] [141] Липиды биодизеля можно извлечь из влажных водорослей с помощью простой и экономичной реакции в ионных жидкостях . [142]
Millettia pinnata , также известная как Pongam Oiltree или Pongamia, представляет собой бобовое масличное дерево, которое было идентифицировано как кандидат для производства несъедобного растительного масла.
Плантации Понгамии для производства биодизеля приносят двойную экологическую выгоду. Деревья хранят углерод и производят мазут. Понгамия растет на малоплодородных землях, непригодных для выращивания продовольственных культур, и не требует нитратных удобрений. Масличное дерево дает самый высокий урожай среди масличных растений (около 40% по весу семян составляет масло), хотя оно растет на истощенных почвах с высоким содержанием солей. Это становится основным направлением деятельности ряда исследовательских организаций по биодизельному топливу. [143] Основными преимуществами Понгамии являются более высокие показатели извлечения и качества масла, чем у других культур, и отсутствие прямой конкуренции с продовольственными культурами. Однако рост на маргинальных землях может привести к снижению урожайности нефти, что может вызвать конкуренцию с продовольственными культурами за лучшую почву.
Несколько групп в различных секторах проводят исследования ятрофы куркас , ядовитого кустарникового дерева, которое дает семена, которые многие считают жизнеспособным источником сырья для биодизельного топлива. [144] Большая часть этих исследований сосредоточена на повышении общего выхода масла ятрофы на акр за счет достижений в области генетики, почвоведения и садоводства.
SG Biofuels , разработчик ятрофы из Сан-Диего, использовала молекулярную селекцию и биотехнологию для производства элитных гибридных семян ятрофы, которые показывают значительное улучшение урожайности по сравнению с сортами первого поколения. [145] SG Biofuels также утверждает, что такие штаммы принесли дополнительные преимущества, включая улучшенную синхронность цветения, более высокую устойчивость к вредителям и болезням, а также повышенную устойчивость к холодной погоде. [146]
Plant Research International, отделение Вагенингенского университета и исследовательского центра в Нидерландах, поддерживает текущий проект по оценке ятрофы (JEP), в рамках которого изучается возможность крупномасштабного выращивания ятрофы посредством полевых и лабораторных экспериментов. [147]
Центр устойчивого энергетического земледелия (CfSEF) — это некоммерческая исследовательская организация со штаб-квартирой в Лос-Анджелесе, занимающаяся исследованиями ятрофы в области растениеводства, агрономии и садоводства. Прогнозируется, что успешное исследование этих дисциплин приведет к увеличению урожайности ферм ятрофы на 200–300% в ближайшие десять лет. [148]
Так называемые жиры, масла и жиры (FOG), извлеченные из сточных вод , также можно превратить в биодизельное топливо. [149]
Группа из Российской академии наук в Москве опубликовала в 2008 году статью, в которой заявила, что они выделили большое количество липидов из одноклеточных грибов и превратили их в биодизель экономически эффективным способом. [150]
Недавнее открытие варианта гриба Gliocladiumroseum указывает на возможность производства так называемого микодизеля из целлюлозы. Этот организм был недавно обнаружен в тропических лесах северной Патагонии и обладает уникальной способностью превращать целлюлозу в углеводороды средней длины, обычно встречающиеся в дизельном топливе. [151]
Исследователи из Университета Невады в Рино успешно произвели биодизель из масла, полученного из использованной кофейной гущи . Анализ использованной гущи показал содержание масла от 10% до 15% (по весу). После добычи нефть подвергалась традиционной переработке в биодизель. Подсчитано, что готовое биодизельное топливо можно будет производить по цене около одного доллара США за галлон. Далее сообщалось, что «техника несложна» и что «вокруг так много кофе, что потенциально можно производить несколько сотен миллионов галлонов биодизеля ежегодно». Однако даже если бы вся кофейная гуща в мире использовалась для производства топлива, объем производства составил бы менее 1 процента дизельного топлива, используемого в Соединенных Штатах ежегодно. «Это не решит мировую энергетическую проблему», — сказал доктор Мисра о своей работе. [152]
Был разработан микрореактор для преобразования биодизеля в водородный пар для питания топливных элементов. [153]
Паровой риформинг , также известный как риформинг ископаемого топлива, представляет собой процесс, в ходе которого образуется газообразный водород из углеводородного топлива, особенно биодизельного топлива, благодаря его эффективности. **Микрореактор**, или риформер, — это технологическое устройство, в котором водяной пар вступает в реакцию с жидким топливом под воздействием высокой температуры и давления. При температурах от 700 до 1100 °C катализатор на основе никеля позволяет производить окись углерода и водород: [154]
Углеводород + Н
2О ⇌ СО + 3 Н
2(Высокая эндотермичность)
Кроме того, более высокий выход газообразного водорода можно получить за счет дальнейшего окисления монооксида углерода с получением большего количества водорода и диоксида углерода:
СО + Н
2О → СО 2 + Н
2(Слегка экзотермический)
По состоянию на 2020 год [update]исследователи из австралийского CSIRO изучали сафлоровое масло из специально выведенного сорта в качестве моторного масла , а исследователи из Центра передового топлива Университета штата Монтана в США изучали характеристики масла в большом дизельном двигателе . с результатами, описанными как «изменившие правила игры». [155]
Смазывающая способность топлива играет важную роль в износе двигателя. Дизельный двигатель использует топливо для обеспечения смазывания металлических компонентов, которые постоянно контактируют друг с другом. [156] Биодизель является гораздо лучшим смазочным материалом по сравнению с дизельным топливом из ископаемого топлива из-за присутствия сложных эфиров. Испытания показали, что добавление небольшого количества биодизельного топлива в дизельное топливо может за короткий срок значительно повысить смазывающую способность топлива. [157] Однако в течение более длительного периода времени [ необходимы разъяснения ] (2–4 года) исследования показывают, что биодизель теряет свою смазывающую способность. [158] [ не удалось проверить ] Это могло произойти из-за усиленной коррозии с течением времени из-за окисления ненасыщенных молекул или увеличения содержания воды в биодизельном топливе из-за поглощения влаги. [57]
Одной из основных проблем, связанных с биодизелем, является его вязкость. Вязкость дизельного топлива составляет 2,5–3,2 сСт при 40 °C, а вязкость биодизельного топлива, изготовленного из соевого масла, — от 4,2 до 4,6 сСт [159]. Вязкость дизельного топлива должна быть достаточно высокой, чтобы обеспечить достаточную смазку деталей двигателя, но достаточно низкой. течь при рабочей температуре. Высокая вязкость может засорить топливный фильтр и систему впрыска двигателей. [159] Растительное масло состоит из липидов с длинными цепочками углеводородов, для уменьшения его вязкости липиды расщепляются на более мелкие молекулы сложных эфиров. Это делается путем преобразования растительного масла и животных жиров в алкиловые эфиры с использованием переэтерификации для снижения их вязкости [160] . Тем не менее, вязкость биодизеля остается выше, чем у дизеля, и двигатель может оказаться не в состоянии использовать топливо при низких температурах из-за медленный поток через топливный фильтр. [161]
Биодизель имеет более высокий удельный расход топлива на тормоза по сравнению с дизельным топливом, а это означает, что для того же крутящего момента требуется больший расход биодизельного топлива. Тем не менее, было обнаружено, что биодизельная смесь B20 обеспечивает максимальное увеличение термического КПД, самое низкое потребление энергии при торможении и снижение вредных выбросов. [5] [57] [156] Производительность двигателя зависит от свойств топлива, а также от процесса сгорания, давления форсунок и многих других факторов. [162] Поскольку существуют различные смеси биодизеля, это может объяснить противоречивые отчеты о характеристиках двигателя.
Сырье, используемое для производства биодизельного топлива, изменяет свойства топлива, изменяя среднюю длину углеродной цепи и количество двойных связей, присутствующих в метиловых эфирах жирных кислот. [163]
Всплеск интереса к биодизельному топливу выявил ряд экологических последствий , связанных с его использованием. К ним потенциально относятся сокращение выбросов парниковых газов , [164] вырубка лесов , загрязнение окружающей среды и скорость биоразложения .
Согласно анализу нормативного воздействия Программы стандартов на возобновляемое топливо, опубликованному Агентством по охране окружающей среды (EPA) США в феврале 2010 года, биодизель из соевого масла в среднем приводит к сокращению выбросов парниковых газов на 57% по сравнению с нефтяным дизельным топливом. а биодизель, произведенный из отходов смазки, дает сокращение на 86%. Более подробную информацию см. в главе 2.6 отчета Агентства по охране окружающей среды.
Однако экологические организации, например, Rainforest Rescue [165] и Greenpeace , [166] критикуют выращивание растений, используемых для производства биодизельного топлива, например, масличных пальм, соевых бобов и сахарного тростника. Вырубка тропических лесов усугубляет изменение климата, а чувствительные экосистемы разрушаются, чтобы освободить земли для плантаций масличных пальм, сои и сахарного тростника. Более того, биотопливо способствует мировому голоду, поскольку пахотные земли больше не используются для выращивания продуктов питания. Агентство по охране окружающей среды опубликовало данные в январе 2012 года, показывающие, что биотопливо, изготовленное из пальмового масла, не будет учитываться в мандате США на возобновляемые виды топлива, поскольку оно не является экологически безопасным. [167] Экологи приветствуют этот вывод, поскольку рост плантаций масличных пальм привел к вырубке тропических лесов, например, в Индонезии и Малайзии. [167] [168]
Индонезия производит биодизель в основном из пальмового масла . Поскольку сельскохозяйственные земли ограничены, для посадки монокультур масличных пальм необходимо расчищать земли, используемые для других культур или тропических лесов. Серьезной экологической угрозой является уничтожение тропических лесов в Индонезии. [169]
Воздействие биодизеля на окружающую среду разнообразно и не однозначно. Часто упоминаемым стимулом для использования биодизельного топлива является его способность снижать выбросы парниковых газов по сравнению с выбросами ископаемого топлива . Правда это или нет, зависит от многих факторов.
Общая критика биодизельного топлива связана с изменением землепользования , которое потенциально может вызвать даже больше выбросов, чем то, которое было бы вызвано использованием только ископаемого топлива. [172] Однако эта проблема может быть решена с помощью водорослевого биотоплива , которое может использовать земли, непригодные для сельского хозяйства.
Углекислый газ является одним из основных парниковых газов . Хотя сжигание биодизеля приводит к выбросам углекислого газа, аналогичным выбросам от обычного ископаемого топлива, растительное сырье, используемое в производстве, поглощает углекислый газ из атмосферы, когда оно растет. Растения поглощают углекислый газ посредством процесса, известного как фотосинтез , который позволяет им хранить энергию солнечного света в форме сахаров и крахмалов. После того, как биомасса преобразуется в биодизель и сжигается в качестве топлива, энергия и углерод высвобождаются снова. Часть этой энергии может быть использована для питания двигателя, а углекислый газ выбрасывается обратно в атмосферу.
Поэтому при рассмотрении общего объема выбросов парниковых газов важно учитывать весь производственный процесс и то, какие косвенные последствия может вызвать такое производство. Влияние на выбросы углекислого газа во многом зависит от методов производства и типа используемого сырья. Расчет углеродоемкости биотоплива — сложный и неточный процесс, который во многом зависит от допущений, сделанных при расчете. Расчет обычно включает в себя:
Другие факторы могут быть очень важными, но иногда не принимаются во внимание. К ним относятся:
Если не учитывать изменение землепользования и принять сегодняшние методы производства, биодизельное топливо из рапсового и подсолнечного масла производит на 45–65% меньше выбросов парниковых газов, чем нефтедизельное топливо. [173] [174] [175] [176] Однако продолжаются исследования по повышению эффективности производственного процесса. [173] [175] Биодизель, производимый из использованного кулинарного масла или других отходов жира, может сократить выбросы CO 2 на целых 85%. [170] Пока сырье выращивается на существующих пахотных землях, изменения в землепользовании практически не влияют на выбросы парниковых газов. Однако есть опасения, что увеличение производства сырья напрямую влияет на темпы вырубки лесов. Такие вырубки приводят к высвобождению углерода, накопленного в слоях леса, почвы и торфа . Объем выбросов парниковых газов в результате вырубки лесов настолько велик, что выгоды от снижения выбросов (вызванных только использованием биодизеля) будут незначительными в течение сотен лет. [170] [172] Таким образом, биотопливо, производимое из такого сырья, как пальмовое масло, может вызывать гораздо более высокие выбросы углекислого газа, чем некоторые виды ископаемого топлива. [177]
В Соединенных Штатах биодизель является единственным альтернативным топливом , которое успешно соответствует требованиям испытаний на воздействие на здоровье (уровень I и уровень II) Закона о чистом воздухе (1990 г.) .
Биодизель может снизить прямые выбросы твердых частиц из выхлопных труб (мелких частиц твердых продуктов сгорания) на транспортных средствах с сажевым фильтром на целых 20 процентов по сравнению с дизельным топливом с низким содержанием серы (< 50 частей на миллион). Выбросы твердых частиц в результате производства сокращаются примерно на 50 процентов по сравнению с дизельным топливом, полученным из ископаемого топлива. [178]
В исследовании Университета Айдахо сравнивались скорости биоразложения биодизельного топлива, чистых растительных масел, смесей биодизеля и нефтяного дизельного топлива, а также чистого 2-D дизельного топлива. Используя низкие концентрации продукта, подлежащего разложению (10 частей на миллион), в растворах с добавками питательных веществ и осадка сточных вод, они продемонстрировали, что биодизель разлагается с той же скоростью, что и контрольный образец с декстрозой, и в 5 раз быстрее, чем нефтяное дизельное топливо, в течение 28 дней. что смеси биодизеля удвоили скорость разложения нефтяного дизельного топлива в результате совместного метаболизма . [179] В том же исследовании изучалась деградация почвы при использовании 10 000 ppm биодизеля и нефтяного дизельного топлива и было обнаружено, что биодизель разлагается в почве в два раза быстрее, чем нефтяное дизельное топливо. Во всех случаях было установлено, что биодизель также разлагается более полно, чем нефтяное дизельное топливо, которое дает плохо разлагаемые неопределенные промежуточные продукты. Исследования токсичности в рамках того же проекта продемонстрировали отсутствие смертности и незначительное токсическое воздействие на крыс и кроликов при дозе до 5000 мг/кг биодизеля. Нефтяное дизельное топливо также не показало смертности при той же концентрации; однако при концентрациях > 2000 мг/л у кроликов были отмечены токсические эффекты, такие как выпадение волос и изменение цвета мочи: [180]
Поскольку биодизельное топливо становится более широко используемым, важно учитывать, как его потребление влияет на качество воды и водные экосистемы. Исследования по изучению биоразлагаемости различных видов биодизельного топлива показали, что все изученные виды биотоплива (включая чистое рапсовое масло, чистое соевое масло и их модифицированные эфирные продукты) представляли собой «легко биоразлагаемые» соединения и имели относительно высокую скорость биоразложения в воде. [181] Кроме того, присутствие биодизеля может увеличить скорость биоразложения дизельного топлива посредством совместного метаболизма. Поскольку соотношение биодизеля в смесях биодизель/дизель увеличивается, тем быстрее разлагается дизельное топливо. Другое исследование с использованием контролируемых экспериментальных условий также показало, что метиловые эфиры жирных кислот, основные молекулы биодизельного топлива, разлагаются гораздо быстрее, чем нефтяное дизельное топливо в морской воде. [182]
При рассмотрении выбросов от использования ископаемого топлива и биотоплива исследования обычно фокусируются на основных загрязнителях, таких как углеводороды. Общепризнано, что использование биодизеля вместо дизельного топлива приводит к существенному сокращению регулируемых выбросов газов, но в исследовательской литературе отсутствует информация о нерегулируемых соединениях, которые также играют роль в загрязнении воздуха. [183] Одно исследование было сосредоточено на выбросах некритериальных карбонильных соединений при сжигании чистого дизельного топлива и биодизельных смесей в дизельных двигателях большой мощности. Результаты показали, что выбросы карбонилов формальдегида, ацетальдегида, акролеина, ацетона, пропиональдегида и бутиральдегида были выше в смесях биодизеля, чем выбросы чистого дизельного топлива. Использование биодизельного топлива приводит к более высоким выбросам карбонилов, но к более низким общим выбросам углеводородов, что может быть лучше в качестве альтернативного источника топлива. Были проведены и другие исследования, которые противоречат этим результатам, но сравнения провести сложно из-за различных факторов, которые различаются в разных исследованиях (например, типы используемого топлива и двигателей). В статье, в которой сравнивались 12 исследовательских статей о выбросах карбонила при использовании биодизельного топлива, было обнаружено, что в 8 статьях сообщается об увеличении выбросов карбонильных соединений, а в 4 показано обратное. [183] Это свидетельствует о том, что по этим соединениям еще предстоит провести много исследований.
{{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь ){{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )[Б]иодизель считается возобновляемым топливом.
Это дает 60-процентное сокращение выбросов CO2 на колесах.
Основными территориями, оставшимися для новых обширных плантаций, являются обширные участки тропических торфяников, до недавнего времени девственные тропические леса.
На этих торфяниках запланировано более 50% новых посадок.
Том Бир; Тим Грант; Гарри Ватсон; Дойна Олару (2004). Анализ выбросов в течение жизненного цикла топлива для легковых автомобилей (PDF) (Отчет). ЦСИРО. Австралийское тепличное управление. HA93A-C837/1/F5.2E.
