.JPG/1280px-R%C3%A9giolis_Granville-Paris_en_gare_d'Argentan_(ao%C3%BBt_2019).JPG)
Биодизель — это возобновляемое биотопливо , форма дизельного топлива , получаемая из биологических источников, таких как растительные масла, животные жиры или переработанные смазки, и состоящая из эфиров длинноцепочечных жирных кислот . Обычно его производят из жиров. [1] [2] [3]
Корни биодизеля как источника топлива можно проследить до того, как Дж. Патрик и Э. Даффи впервые провели переэтерификацию растительного масла в 1853 году, что предшествовало разработке дизельного двигателя Рудольфом Дизелем . [4] Двигатель Дизеля, изначально разработанный для минерального масла, успешно работал на арахисовом масле на Парижской выставке 1900 года . Это знаменательное событие подчеркнуло потенциал растительных масел как альтернативного источника топлива. Интерес к использованию растительных масел в качестве топлива периодически возникал, особенно в периоды ограниченных ресурсов, такие как Вторая мировая война. Однако такие проблемы, как высокая вязкость и образующиеся в результате отложения в двигателе, были значительными препятствиями. Современная форма биодизеля появилась в 1930-х годах, когда был найден метод преобразования растительных масел для использования в качестве топлива, заложив 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. [5] С ним экспериментировали в железнодорожных локомотивах и электрогенераторах. Обычно характеризующийся более высокой температурой кипения и температурой вспышки, чем нефтедизель, биодизель 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, с ранних методов, включая прямое использование растительных масел, до более продвинутых процессов, таких как переэтерификация, которая снижает вязкость и улучшает свойства сгорания. В частности, производство биодизеля производит глицерин в качестве побочного продукта, который имеет свое собственное коммерческое применение.
Основное применение биодизеля — транспорт. Были предприняты попытки сделать его биотопливом drop-in , то есть совместимым с существующими дизельными двигателями и распределительной инфраструктурой. Однако его обычно смешивают с нефтедизелем , как правило, до менее 10%, поскольку большинство двигателей не могут работать на чистом биодизеле без модификации. [6] [7] Процентное содержание биодизеля в смеси обозначается фактором «B». B100 представляет собой чистый биодизель, в то время как смеси, такие как B20, содержат 20% биодизеля, а остальное — традиционный нефтедизель. Эти смеси предлагают компромисс между экологическими преимуществами биодизеля и эксплуатационными характеристиками стандартного дизельного топлива. Биодизельные смеси можно использовать в качестве печного топлива .
Воздействие биодизеля на окружающую среду является сложным и варьируется в зависимости от таких факторов, как тип сырья, изменения в землепользовании и методы производства. Хотя он может потенциально сократить выбросы парниковых газов по сравнению с ископаемым топливом, опасения по поводу биодизеля включают изменения в землепользовании, вырубку лесов и дебаты по поводу продовольствия и топлива. Дискуссия сосредоточена на влиянии производства биодизеля на цены и доступность продовольствия, а также на его общем углеродном следе. Несмотря на эти проблемы, биодизель остается ключевым компонентом глобальной стратегии по снижению зависимости от ископаемого топлива и смягчению последствий изменения климата.
Смеси биодизеля и обычного углеводородного дизельного топлива чаще всего распространяются для использования на розничном рынке дизельного топлива. Большая часть мира использует систему, известную как фактор «B», для указания количества биодизеля в любой топливной смеси: [8]
Смеси с 20% биодизеля и ниже можно использовать в дизельном оборудовании без каких-либо модификаций или с небольшими модификациями, [9] хотя некоторые производители не продлевают гарантийное покрытие, если оборудование повреждено этими смесями. Смеси B6 и B20 покрываются спецификацией ASTM D7467. [10] Биодизель также можно использовать в чистом виде (B100), но для этого могут потребоваться определенные модификации двигателя, чтобы избежать проблем с обслуживанием и производительностью. [11] Смешивание B100 с нефтяным дизельным топливом может быть достигнуто путем:
Биодизельное топливо 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) описывает стандарты и спецификации для биодизелей, смешанных со средними дистиллятными топливами. Этот стандарт спецификации определяет различные методы испытаний, которые следует использовать для определения определенных свойств биодизельных смесей. Некоторые из упомянутых испытаний включают температуру вспышки и кинематическую вязкость.[2]
Переэтерификацию растительного масла Патрик Даффи провел еще в 1853 году, за четыре десятилетия до того, как первый дизельный двигатель начал функционировать. [12] [13] Более ранние процессы изготовления лампового масла были запатентованы (1810, Прага), но не опубликованы в рецензируемых изданиях. Основная модель Рудольфа Дизеля , один железный цилиндр длиной 10 футов (3,05 м) с маховиком в основании, впервые заработала на собственной энергии в Аугсбурге , Германия, 10 августа 1893 года, работая исключительно на арахисовом масле . В память об этом событии 10 августа было объявлено «Международным днем биодизеля». [14]
Часто сообщается, что Дизель спроектировал свой двигатель для работы на арахисовом масле, но это не так. Дизель заявил в своих опубликованных работах, что «на Парижской выставке в 1900 году ( Exposition Universelle ) компанией Otto был показан небольшой дизельный двигатель, который по просьбе французского правительства работал на арахисовом (земляном орехе или арахисовом) 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 изменений. Французское правительство в то время думало о проверке применимости для производства энергии арахиса, или земляного ореха, который растет в значительных количествах в их африканских колониях и может быть легко выращен там». Сам Дизель позже провел соответствующие испытания и, по-видимому, поддержал эту идею. [15] В своей речи в 1912 году Дизель сказал: «Использование растительных масел в качестве моторного топлива сегодня может показаться незначительным, но со временем такие масла могут стать такими же важными, как нефть и продукты из каменноугольной смолы в настоящее время».
Несмотря на широкое использование нефтяного дизельного топлива, интерес к растительным маслам в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания был отмечен в нескольких странах в 1920-х и 30-х годах, а затем во время Второй мировой войны. Сообщалось, что Бельгия , Франция, Италия, Великобритания, Португалия , Германия , Бразилия , Аргентина , Япония и Китай испытывали и использовали растительные масла в качестве дизельного топлива в это время. Сообщалось о некоторых эксплуатационных проблемах из-за высокой вязкости растительных масел по сравнению с нефтяным дизельным топливом, что приводит к плохому распылению топлива в топливной струе и часто приводит к отложениям и закоксовыванию форсунок, камеры сгорания и клапанов. Попытки преодолеть эти проблемы включали нагревание растительного масла, смешивание его с нефтяным дизельным топливом или этанолом, пиролиз и крекинг масел.
31 августа 1937 года Жоржу Шаванну из Брюссельского университета (Бельгия) был выдан патент на «Процедуру преобразования растительных масел для их использования в качестве топлива» (фр. « Procédé de Transformation d'Huiles Végétales en Vue de Leur Utilisation comme Carburants »), бельгийский патент 422 877. В этом патенте описывался алкоголиз (часто называемый переэтерификацией) растительных масел с использованием этанола (и упоминался метанол) для отделения жирных кислот от глицерина путем замены глицерина короткими линейными спиртами. Это, по-видимому, первый отчет о производстве того, что сегодня известно как «биодизель». [16] 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 биодизеля. [17] Этот процесс классифицируется как биодизельное топливо международными нормами, что подтверждает «стандартизированную идентичность и качество. Никакое другое предлагаемое биотопливо не было одобрено автомобильной промышленностью». [18] По состоянию на 2010 год компания Паренте Tecbio работает с Boeing и NASA над сертификацией биокеросина (биокеросин), еще одного продукта, произведенного и запатентованного бразильским ученым. [19]
Исследования по использованию переэтерифицированного подсолнечного масла и его очистке до стандартов дизельного топлива были начаты в Южной Африке в 1979 году. К 1983 году процесс производства биодизеля топливного качества, испытанного в двигателе, был завершен и опубликован на международном уровне. [20] Австрийская компания Gaskoks получила технологию от Южноафриканских инженеров сельского хозяйства; компания построила первую опытную установку по производству биодизеля в ноябре 1987 года и первую промышленную установку в апреле 1989 года (мощностью 30 000 тонн рапса в год).
В течение 1990-х годов заводы были открыты во многих европейских странах, включая Чешскую Республику , Германию и Швецию . Франция запустила местное производство биодизельного топлива (называемого диэстером ) из рапсового масла, которое смешивается с обычным дизельным топливом на уровне 5%, а с дизельным топливом, используемым некоторыми автопарками (например, общественным транспортом ), на уровне 30%. Renault , Peugeot и другие производители сертифицировали двигатели грузовиков для использования с частичным биодизелем до этого уровня; эксперименты с 50% биодизелем ведутся. В тот же период страны в других частях света также увидели начало местного производства биодизеля: к 1998 году Австрийский институт биотоплива определил 21 страну с коммерческими проектами по биодизелю. 100% биодизель теперь доступен на многих обычных заправочных станциях по всей Европе.
Цвет биодизеля варьируется от прозрачного до золотистого и темно-коричневого, в зависимости от метода производства и исходного сырья, используемого для изготовления топлива. Это также изменяет свойства получаемого топлива. [21] В целом, биодизель слабо смешивается с водой, имеет высокую температуру кипения и низкое давление паров . Температура вспышки биодизеля может превышать 130 °C (266 °F), [22] что значительно выше, чем у нефтяного дизельного топлива, которое может быть всего лишь 52 °C (126 °F). [23] [24] Биодизель имеет плотность около ~0,88 г/см3 , что выше, чем у нефтедизеля (~0,85 г/см3 ) . [23] [24]
Теплотворная способность биодизеля составляет около 37,27 МДж/кг. [25] Это на 9% ниже, чем у обычного нефтедизеля № 2. Изменения в плотности энергии биодизеля больше зависят от используемого сырья, чем от процесса производства. Тем не менее, эти изменения меньше, чем у нефтедизеля. [26] Было заявлено, что биодизель обеспечивает лучшую смазывающую способность и более полное сгорание, тем самым увеличивая выходную мощность двигателя и частично компенсируя более высокую плотность энергии нефтедизеля. [27]
Биодизель также практически не содержит серы [28] и, хотя в нем отсутствуют соединения серы, которые в нефтедизеле обеспечивают большую часть смазывающей способности, он обладает многообещающими смазывающими свойствами и цетановыми числами по сравнению с дизельным топливом с низким содержанием серы и часто служит в качестве добавки к дизельному топливу со сверхнизким содержанием серы (ULSD) для улучшения смазки. [29] 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 насосы высокого давления для впрыска, насос-форсунки (также называемые насос-форсунками ) и топливные инжекторы .
Биодизель может использоваться в чистом виде (B100) или может быть смешан с нефтяным дизельным топливом в любой концентрации в большинстве дизельных двигателей с инжекторным насосом. Новые двигатели Common Rail экстремально высокого давления (29 000 фунтов на кв. дюйм) имеют строгие заводские ограничения B5 или B20, в зависимости от производителя. [30] Биодизель имеет другие свойства растворителя , чем нефтедизель, и будет разрушать прокладки и шланги из натурального каучука в транспортных средствах (в основном транспортных средствах, выпущенных до 1992 года), хотя они, как правило, изнашиваются естественным образом и, скорее всего, уже были заменены на FKM , который не реагирует с биодизелем. Известно, что биодизель разрушает отложения остатков в топливных магистралях, где использовался нефтедизель. [31] В результате топливные фильтры могут засориться твердыми частицами, если производится быстрый переход на чистый биодизель. Поэтому рекомендуется менять топливные фильтры в двигателях и обогревателях вскоре после первого перехода на биодизельную смесь. [32]
После принятия Закона об энергетической политике 2005 года использование биодизеля в Соединенных Штатах возросло. [33] В Великобритании Обязательство по возобновляемому транспортному топливу обязывает поставщиков включать 5% возобновляемого топлива во все транспортное топливо, продаваемое в Великобритании, к 2010 году. Для дорожного дизельного топлива это фактически означает 5% биодизеля (B5).
В 2005 году Chrysler (тогда часть DaimlerChrysler) выпустила на европейский рынок дизельные двигатели Jeep Liberty CRD с завода с 5% биодизельных смесей, что свидетельствует о по крайней мере частичном принятии биодизеля в качестве приемлемой добавки к дизельному топливу. [34] В 2007 году DaimlerChrysler заявила о своем намерении увеличить гарантийное покрытие до 20% биодизельных смесей, если качество биотоплива в Соединенных Штатах может быть стандартизировано. [35]
Volkswagen Group опубликовала заявление, в котором указано, что несколько ее автомобилей совместимы с B5 и B100, изготовленными из рапсового масла, и соответствуют стандарту EN 14214. Использование указанного типа биодизеля в ее автомобилях не аннулирует никакую гарантию. [36]
Mercedes-Benz не допускает использование дизельного топлива, содержащего более 5% биодизеля (B5), из-за опасений по поводу «производственных недостатков». [37] Любые повреждения, вызванные использованием такого не одобренного топлива, не будут покрываться ограниченной гарантией Mercedes-Benz.
Начиная с 2004 года, город Галифакс, Новая Шотландия, решил обновить свою автобусную систему, чтобы позволить парку городских автобусов работать полностью на биодизельном топливе на основе рыбьего жира. Это вызвало у города некоторые первоначальные механические проблемы, но после нескольких лет доработок весь парк был успешно переоборудован. [38] [39] [40]
В 2007 году McDonald's из Великобритании объявила, что начнет производить биодизель из отходов нефтяных отходов своих ресторанов. Это топливо будет использоваться для работы ее автопарка. [41]
Двигатель Chevy Cruze Clean Turbo Diesel 2014 года, поставляемый напрямую с завода, будет иметь рейтинг совместимости с биодизельным топливом до B20 (смесь 20% биодизеля / 80% обычного дизельного топлива) [42]
Британская железнодорожная компания Virgin Trains West Coast заявила, что запустила первый в Великобритании «биодизельный поезд», когда поезд класса 220 был переоборудован для работы на 80% нефтедизельного топлива и на 20% биодизельного топлива. [43] [44]
15 сентября 2007 года британский королевский поезд совершил свой первый рейс на 100% биодизельном топливе, поставляемом Green Fuels Ltd. Принц Чарльз и управляющий директор Green Fuels Джеймс Хайгейт стали первыми пассажирами поезда, работавшего исключительно на биодизельном топливе. С 2007 года королевский поезд успешно работает на B100 (100% биодизель). [45] В правительственном документе также предлагалось перевести большую часть железных дорог Великобритании на биодизельное топливо, но впоследствии это предложение было отклонено в пользу дальнейшей электрификации. [46]
Аналогичным образом, государственная короткая железная дорога в Восточном Вашингтоне провела испытание смеси 25% биодизеля / 75% нефтедизеля летом 2008 года, закупив топливо у производителя биодизеля, расположенного вдоль железнодорожных путей. [47] Поезд будет работать на биодизеле, произведенном частично из канолы, выращенной в сельскохозяйственных регионах, через которые проходит короткая линия.
Также в 2007 году Диснейленд начал использовать в поездах парка B98 (98% биодизель). Программа была прекращена в 2008 году из-за проблем с хранением, но в январе 2009 года было объявлено, что парк будет использовать все поезда на биодизеле, произведенном из собственных отработанных кулинарных масел. Это изменение по сравнению с использованием в поездах биодизеля на основе сои. [48]
В 2007 году историческая железная дорога Mt. Washington Cog Railway добавила первый биодизельный локомотив к своему полностью паровому локомотивному парку. Парк поднимался по западным склонам горы Вашингтон в Нью-Гемпшире с 1868 года с максимальным вертикальным подъемом в 37,4 градуса. [49]
В 2009 году на железной дороге Гранд-Каньон был начат запуск локомотива 4960 на отработанном растительном масле.
8 июля 2014 года [50] тогдашний министр железных дорог Индии Д. В. Садананда Говда объявил в «Бюджете железных дорог», что 5% биодизельного топлива будет использоваться в дизельных двигателях индийских железных дорог. [51]
Биодизель также может использоваться в качестве топлива для отопления в бытовых и коммерческих котлах, смесь печного топлива и биотоплива , которая стандартизирована и облагается налогом немного иначе, чем дизельное топливо, используемое для транспорта. Биотопливо представляет собой запатентованную смесь биодизеля и традиционного печного топлива. Bioheat является зарегистрированной торговой маркой Национального совета по биодизелю [NBB] и Национального исследовательского альянса по масляному теплу [NORA] в Соединенных Штатах и Columbia Fuels в Канаде. [52] Отопительный биодизель доступен в различных смесях. ASTM 396 признает смеси до 5 процентов биодизеля как эквивалент чистого нефтяного печного топлива. Смеси с более высоким содержанием до 20% биотоплива используются многими потребителями. Ведутся 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 они могут сжигать биодизель без какой-либо требуемой конверсии. Необходимо соблюдать осторожность, учитывая, что лаки, оставшиеся после нефтедизеля, будут выделяться и могут засорять трубы — требуется фильтрация топлива и своевременная замена фильтра. Другой подход — начать использовать биодизель в качестве смеси, а уменьшение доли нефти с течением времени может позволить лакам сходить более постепенно и с меньшей вероятностью засоряться. Благодаря сильным растворяющим свойствам биодизеля печь очищается и в целом становится более эффективной. [53]
Закон, принятый губернатором Массачусетса Девалем Патриком, требует, чтобы к 1 июля 2010 года все дизельное топливо для отопления домов в этом штате на 2% состояло из биотоплива, а к 2013 году — на 5%. [54] В Нью-Йорке был принят аналогичный закон.
Поскольку 80–90% расходов на ликвидацию последствий разливов нефти инвестируется в очистку береговой линии, ведется поиск более эффективных и экономичных методов извлечения разливов нефти с береговой линии. [55] Биодизель продемонстрировал свою способность значительно растворять сырую нефть в зависимости от источника жирных кислот. В лабораторных условиях загрязненные нефтью отложения, имитирующие загрязненные береговые линии, были опрысканы одним слоем биодизеля и подвергнуты воздействию имитированных приливов. [56] Биодизель является эффективным растворителем нефти благодаря своему компоненту метилового эфира, который значительно снижает вязкость сырой нефти. Кроме того, он имеет более высокую плавучесть, чем сырая нефть, что впоследствии способствует ее удалению. В результате 80% нефти было удалено с гальки и мелкого песка, 50% с крупного песка и 30% с гравия. После того, как нефть высвобождается с береговой линии, смесь нефти и биодизеля вручную удаляется с поверхности воды с помощью скиммеров. Оставшаяся смесь легко расщепляется из-за высокой биоразлагаемости биодизеля и увеличенной площади поверхности воздействия смеси.
В 2001 году Калифорнийский университет в Риверсайде установил резервную систему электропитания мощностью 6 мегаватт, которая полностью работает на биодизеле. Резервные дизельные генераторы позволяют компаниям избегать разрушительных отключений критически важных операций за счет высокого уровня загрязнения и выбросов. Используя B100, эти генераторы смогли по существу устранить побочные продукты, которые приводят к смогу, озону и выбросам серы. [57] Использование этих генераторов в жилых районах вокруг школ, больниц и в общественных местах приводит к существенному сокращению ядовитого угарного газа и твердых частиц. [58]
Выходная мощность биодизеля зависит от его смеси, качества и условий нагрузки, при которых сжигается топливо. Тепловая эффективность , например, B100 по сравнению с B20 будет варьироваться из-за различного содержания энергии в различных смесях. Тепловая эффективность топлива частично основана на таких характеристиках топлива, как: вязкость , удельная плотность и температура вспышки ; эти характеристики будут меняться по мере изменения смесей, а также качества биодизеля. Американское общество по испытаниям и материалам установило стандарты для оценки качества данного образца топлива. [59]
Одно исследование показало, что эффективность термического торможения B40 превосходит традиционный нефтяной аналог при более высоких степенях сжатия (эта более высокая эффективность термического торможения была зафиксирована при степенях сжатия 21:1). Было отмечено, что по мере увеличения степеней сжатия эффективность всех типов топлива, а также тестируемых смесей, увеличивалась; хотя было обнаружено, что смесь B40 была наиболее экономичной при степени сжатия 21:1 по сравнению со всеми другими смесями. Исследование подразумевало, что это увеличение эффективности было обусловлено плотностью топлива, вязкостью и теплотворной способностью топлива. [60]
Топливные системы некоторых современных дизельных двигателей не рассчитаны на биодизельное топливо, в то время как многие двигатели большой мощности могут работать на смесях биодизеля вплоть до B20. [6] Традиционные системы прямого впрыска топлива работают при давлении около 3000 фунтов на квадратный дюйм на наконечнике инжектора, в то время как современная система Common Rail работает при давлении свыше 30 000 фунтов на квадратный дюйм на наконечнике инжектора. Компоненты рассчитаны на работу в широком диапазоне температур: от ниже нуля до более 1000 °F (560 °C). Ожидается, что дизельное топливо будет эффективно сгорать и производить как можно меньше выбросов. Поскольку стандарты выбросов вводятся для дизельных двигателей, необходимость контроля вредных выбросов встраивается в параметры топливных систем дизельных двигателей. Традиционная система впрыска в ряд более терпима к топливу более низкого качества, чем топливная система Common Rail. Более высокое давление и более жесткие допуски системы Common Rail позволяют лучше контролировать распыление и время впрыска. Этот контроль распыления, а также сгорания позволяет повысить эффективность современных дизельных двигателей, а также лучше контролировать выбросы. Компоненты в дизельной топливной системе взаимодействуют с топливом таким образом, чтобы обеспечить эффективную работу топливной системы и, следовательно, двигателя. Если в систему, имеющую определенные параметры работы, вводится топливо, не соответствующее спецификации, то целостность всей топливной системы может быть нарушена. Некоторые из этих параметров, такие как форма распыления и распыление, напрямую связаны с синхронизацией впрыска. [61]
Одно исследование показало, что во время распыления биодизель и его смеси производили капли большего диаметра, чем капли, производимые традиционным нефтедизелем. Более мелкие капли были отнесены к более низкой вязкости и поверхностному натяжению традиционного дизельного топлива. Было обнаружено, что капли на периферии распыления были больше в диаметре, чем капли в центре. Это было связано с более быстрым падением давления на краю распыления; существовала пропорциональная зависимость между размером капель и расстоянием от наконечника инжектора. Было обнаружено, что B100 имел наибольшую проникающую способность распыления, это было связано с большей плотностью B100. [62] Наличие большего размера капель может привести к неэффективности сгорания, увеличению выбросов и снижению мощности. В другом исследовании было обнаружено, что при впрыскивании биодизеля наблюдается короткая задержка впрыска. Эта задержка впрыска была связана с большей вязкостью биодизеля. Было отмечено, что более высокая вязкость и более высокое цетановое число биодизеля по сравнению с традиционным нефтедизелем приводят к плохому распылению, а также к проникновению смеси с воздухом в период задержки зажигания. [63] Другое исследование отметило , что эта задержка зажигания может способствовать снижению выбросов NOx . [64]
Выбросы являются неотъемлемой частью сгорания 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 сгорание топлива, а также снижать выбросы. Существует ряд новых технологий, которые постепенно внедряются для контроля выбросов дизельного топлива. Система рециркуляции выхлопных газов , EGR, и сажевый фильтр дизельного топлива , DPF, предназначены для снижения выбросов вредных веществ. [65]
Исходное сырье, используемое для производства биодизельного топлива, может значительно изменить полученные выбросы выхлопных газов и твердых частиц, [66] [67] даже при смешивании с коммерческим дизельным топливом. [68] Исследование, проведенное Национальным университетом Чонбука, пришло к выводу, что смесь биодизеля B30 сократила выбросы оксида углерода 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 с EGR смесь биодизеля B20 значительно сократила выбросы двигателя. [69] Кроме того, анализ, проведенный Калифорнийским советом по воздушным ресурсам, показал, что биодизель имеет самые низкие выбросы углерода из протестированных видов топлива, а именно: 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 большую дисперсию выбросов углерода биодизелем в зависимости от используемого сырья. Из сои , жира , рапса , кукурузы и отработанного кулинарного масла , соя показала самые высокие выбросы углерода, в то время как отработанное кулинарное масло дало самые низкие. [70]
При изучении влияния биодизеля на сажевые фильтры дизельных двигателей было обнаружено, что хотя присутствие карбонатов натрия и калия способствовало каталитическому преобразованию золы, поскольку дизельные твердые частицы катализируются, они могут собираться внутри DPF и, таким образом, мешать зазорам фильтра. [ необходимо разъяснение ] Это может привести к засорению фильтра и помешать процессу регенерации. [71] В исследовании влияния показателей EGR со смесями биодизеля из ятропы было показано, что наблюдалось снижение топливной экономичности и крутящего момента из-за использования биодизеля на дизельном двигателе, разработанном с системой EGR. Было обнаружено, что выбросы CO и CO2 увеличились с увеличением рециркуляции выхлопных газов, но уровни NOx снизились. Уровень непрозрачности смесей из ятропы находился в приемлемом диапазоне, тогда как традиционное дизельное топливо не соответствовало приемлемым стандартам. Было показано, что снижение выбросов Nox может быть достигнуто с помощью системы EGR. Это исследование показало преимущество перед традиционным дизельным топливом в определенном рабочем диапазоне системы EGR. [72]
По состоянию на 2017 год смешанные биодизельные топлива (особенно B5, B8 и B20) регулярно используются во многих большегрузных транспортных средствах, особенно в транзитных автобусах в городах США. Характеристика выбросов выхлопных газов показала значительное снижение выбросов по сравнению с обычным дизельным топливом. [6]
Биодизель обычно производится путем переэтерификации растительного масла или животного жира в качестве сырья, а также другого непищевого сырья, такого как фритюрное масло и т. д. Существует несколько методов проведения этой реакции переэтерификации, включая обычный периодический процесс, гетерогенные катализаторы, [74] сверхкритические процессы, ультразвуковые методы и даже микроволновые методы.
Химически переэтерифицированный биодизель представляет собой смесь моноалкиловых эфиров длинноцепочечных жирных кислот . Наиболее распространенная форма использует метанол (преобразованный в метоксид натрия) для получения метиловых эфиров (обычно называемых метиловыми эфирами жирных кислот – FAME), поскольку это самый дешевый доступный спирт, хотя этанол может использоваться для получения этилового эфира (обычно называемого этиловыми эфирами жирных кислот – FAEE) биодизеля, а также высшие спирты, такие как изопропанол и бутанол . Использование спиртов с более высокой молекулярной массой улучшает свойства текучести на холоде полученного эфира за счет менее эффективной реакции переэтерификации. Процесс производства липидной переэтерификации используется для преобразования базового масла в желаемые эфиры. Любые свободные жирные кислоты (FFA) в базовом масле либо преобразуются в мыло и удаляются из процесса, либо они этерифицируются (давая больше биодизеля) с использованием кислотного катализатора. После такой обработки, в отличие от чистого растительного масла , биодизельное топливо имеет свойства горения, очень похожие на свойства нефтяного дизельного топлива, и может заменить его в большинстве современных областей применения.
Метанол, используемый в большинстве процессов производства биодизеля, производится с использованием ископаемого топлива. Однако существуют источники возобновляемого метанола, производимого с использованием диоксида углерода или биомассы в качестве сырья, что делает их производственные процессы свободными от ископаемого топлива. [75]
Побочным продуктом процесса переэтерификации является производство глицерина . На каждую тонну произведенного биодизеля производится 100 кг глицерина. Первоначально для глицерина существовал ценный рынок, который способствовал экономике процесса в целом. Однако с ростом мирового производства биодизеля рыночная цена на этот сырой глицерин (содержащий 20% воды и остатков катализатора) рухнула. Во всем мире проводятся исследования по использованию этого глицерина в качестве химического строительного блока (см. химический промежуточный продукт в статье Википедии « Глицерин »). Одной из инициатив в Великобритании является The Glycerol Challenge. [76]
Обычно этот сырой глицерин необходимо очищать, как правило, путем вакуумной перегонки. Это довольно энергозатратно. Очищенный глицерин (чистота 98%+) затем может быть использован напрямую или преобразован в другие продукты. В 2007 году были сделаны следующие заявления: Совместное предприятие Ashland Inc. и Cargill объявило о планах по производству пропиленгликоля в Европе из глицерина [77] , а Dow Chemical объявила о подобных планах для Северной Америки [78] . Dow также планирует построить завод в Китае для производства эпихлоргидрина из глицерина. [79] Эпихлоргидрин является сырьем для эпоксидных смол .
Мировое производство биодизеля достигло 3,8 млн тонн в 2005 году. Примерно 85% производства биодизеля пришлось на Европейский Союз. [ необходима цитата ] [80]
В 2007 году мощности по производству биодизеля быстро росли, со средним годовым темпом роста с 2002 по 2006 год более 40%. [81] В 2006 году, последнем, по которому удалось получить фактические данные по производству, общее мировое производство биодизеля составляло около 5–6 миллионов тонн, из которых 4,9 миллиона тонн было переработано в Европе (из которых 2,7 миллиона тонн было из Германии), а большая часть остального — из США. В 2008 году производство только в Европе выросло до 7,8 миллионов тонн. [82] В июле 2009 года была добавлена пошлина на американский импортный биодизель в Европейском союзе, чтобы уравновесить конкуренцию со стороны европейских, особенно немецких производителей. [83] [84] Мощность в 2008 году в Европе составила 16 миллионов тонн. Это сопоставимо с общим спросом на дизельное топливо в США и Европе примерно в 490 миллионов тонн (147 миллиардов галлонов). [85] Общее мировое производство растительного масла для всех целей в 2005–2006 годах составило около 110 миллионов тонн, из которых около 34 миллионов тонн пришлось на пальмовое и соевое масло . [86] По состоянию на 2018 год Индонезия является крупнейшим в мире поставщиком биотоплива на основе пальмового масла с годовым объемом производства 3,5 миллиона тонн, [87] [88] и, как ожидается, будет экспортировать около 1 миллиона тонн биодизеля. [89]
Производство биодизеля в США в 2011 году вывело отрасль на новый рубеж. В соответствии со стандартом возобновляемого топлива EPA были установлены целевые показатели для заводов по производству биодизеля с целью мониторинга и документирования уровней производства в сравнении с общим спросом. Согласно данным на конец года, опубликованным EPA, производство биодизеля в 2011 году достигло более 1 миллиарда галлонов. Этот объем производства значительно превысил целевой показатель в 800 миллионов галлонов, установленный EPA. Прогнозируемый объем производства на 2020 год составляет почти 12 миллиардов галлонов. [90]
Для производства биодизеля можно использовать различные масла. К ним относятся:
Многие сторонники полагают, что отработанное растительное масло является наилучшим источником масла для производства биодизеля, но поскольку имеющиеся запасы значительно меньше, чем количество нефтяного топлива, сжигаемого для нужд транспорта и отопления домов в мире, это локальное решение не может масштабироваться до текущих темпов потребления.
Животные жиры являются побочным продуктом производства и приготовления мяса. Хотя выращивать животных (или ловить рыбу) только ради их жира было бы неэффективно, использование побочного продукта добавляет ценность животноводческой отрасли (свиньи, крупный рогатый скот, птица). Сегодня многокомпонентные биодизельные заводы производят высококачественный биодизель на основе животного жира. [96] [97] 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 жира [98], производимого ежегодно на местной птицефабрике Tyson. [92] Аналогичным образом, некоторые небольшие биодизельные заводы используют отходы рыбьего жира в качестве сырья. [99] [100] Проект, финансируемый ЕС (ENERFISH), предполагает, что на вьетнамском заводе по производству биодизеля из сома (баса, также известного как пангасиус) можно производить 13 тонн/день биодизеля из 81 тонны рыбных отходов (в свою очередь, полученных из 130 тонн рыбы). Этот проект использует биодизель в качестве топлива для установки ТЭЦ на рыбоперерабатывающем заводе, в основном для питания завода по заморозке рыбы. [101]
Текущее мировое производство растительного масла и животного жира недостаточно для замены использования жидкого ископаемого топлива. Кроме того, некоторые возражают против огромного количества земледелия и, как следствие, удобрения , использования пестицидов и преобразования землепользования, которые потребуются для производства дополнительного растительного масла. [102] Преимущества водорослей в том, что их можно выращивать на непахотных землях, таких как пустыни или в морской среде, а потенциальный выход масла намного выше, чем у растений.
Эффективность выхода сырья на единицу площади влияет на возможность наращивания производства до огромных промышленных уровней, необходимых для обеспечения энергией значительной части транспортных средств.
Выход водорослей в качестве топлива пока точно не определен, но, как сообщается, Министерство энергетики США утверждает, что водоросли дают в 30 раз больше энергии с акра, чем такие сельскохозяйственные культуры, как соя. [104] Ами Бен-Амоц из Института океанографии в Хайфе , который занимается коммерческим выращиванием водорослей более 20 лет, считает, что урожайность в 36 тонн с гектара является практичной . [105]
Ятрофа упоминается как высокоурожайный источник биодизеля, но урожайность сильно зависит от климатических и почвенных условий. Оценки на нижнем уровне дают урожайность около 200 галлонов США/акр (1,5-2 тонны с гектара) на урожай; в более благоприятном климате достигаются два или более урожая в год. [106] Она выращивается на Филиппинах , в Мали и Индии , устойчива к засухе и может делить пространство с другими товарными культурами, такими как кофе, сахар, фрукты и овощи. [107] Она хорошо подходит для полузасушливых земель и может способствовать замедлению опустынивания , по словам ее сторонников. [108]
Полный переход на биотопливо может потребовать огромных земельных участков, если будут использоваться традиционные продовольственные культуры (хотя непродовольственные культуры могут быть использованы). Проблема будет особенно серьезной для стран с крупной экономикой, поскольку потребление энергии масштабируется с экономическим выпуском. [109]
Для стран третьего мира источники биодизеля, использующие малоплодородные земли, могли бы иметь больше смысла; например, орехи масличного дерева понгам, выращиваемые вдоль дорог, или ятрофа, выращиваемая вдоль железнодорожных линий. [110]
В тропических регионах, таких как Малайзия и Индонезия, растения, которые производят пальмовое масло, высаживаются быстрыми темпами, чтобы удовлетворить растущий спрос на биодизель в Европе и на других рынках. Ученые показали, что вырубка тропических лесов для пальмовых плантаций не является экологически обоснованной, поскольку расширение плантаций масличных пальм представляет угрозу для естественных тропических лесов и биоразнообразия. [111]
В Германии подсчитали, что себестоимость производства дизельного топлива из пальмового масла составляет менее трети себестоимости производства биодизеля из рапса. [112]
В США производство биодизеля, как сообщалось, в 2018 году обеспечило более 64 000 рабочих мест. [90] Рост производства биодизеля также помогает значительно увеличить ВВП. В 2011 году биодизель создал более 3 миллиардов долларов ВВП. [113]
Одним из основных факторов принятия 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 принятия 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, отличных от нефти. Национальная лаборатория возобновляемой энергии США (NREL) заявляет, что энергетическая безопасность является движущей силой номер один программы США по биотопливу [114] , а документ Белого дома «Энергетическая безопасность для 21 века» ясно дает понять, что энергетическая безопасность является основной причиной продвижения биодизеля. [115] Бывший председатель комиссии ЕС Жозе Мануэль Баррозу, выступая на недавней конференции ЕС по биотопливу, подчеркнул, что правильно управляемое биотопливо может укрепить безопасность поставок ЕС за счет диверсификации источников энергии. [116]
Многие страны мира вовлечены в растущее использование и производство биотоплива, такого как биодизель, в качестве альтернативного источника энергии ископаемому топливу и нефти. Для содействия биотопливной промышленности правительства приняли законодательства и законы в качестве стимулов для снижения зависимости от нефти и увеличения использования возобновляемых источников энергии. [117] Во многих странах есть своя собственная независимая политика в отношении налогообложения и скидок за использование, импорт и производство биодизеля.
Закон о защите окружающей среды Канады Bill C-33 требовал, чтобы к 2010 году бензин содержал 5% возобновляемых компонентов, а к 2013 году дизельное топливо и печное топливо содержали 2% возобновляемых компонентов. [117] Программа EcoENERGY для биотоплива субсидировала производство биодизеля, среди прочего биотоплива, посредством стимулирующей ставки в размере 0,20 канадских долларов за литр с 2008 по 2010 год. Снижение на 0,04 доллара будет применяться каждый последующий год, пока стимулирующая ставка не достигнет 0,06 доллара в 2016 году. Отдельные провинции также имеют особые законодательные меры в отношении использования и производства биотоплива. [118]
Объемный налоговый кредит на акциз на этанол (VEETC) был основным источником финансовой поддержки биотоплива, но его действие должно было закончиться в 2010 году. Благодаря этому акту производство биодизеля гарантировало налоговый кредит в размере 1 доллара США за галлон, произведенный из первичных масел, и 0,50 доллара США за галлон, произведенный из переработанных масел. [119] В настоящее время соевое масло используется для производства соевого биодизеля для многих коммерческих целей, таких как смешивание топлива для транспортных секторов. [6]
Европейский союз является крупнейшим производителем биодизеля, а Франция и Германия являются ведущими производителями. Для увеличения использования биодизеля существуют политики, требующие смешивания биодизеля с топливом, включая штрафы, если эти показатели не будут достигнуты. Во Франции целью было достичь 10% интеграции, но планы по этому вопросу были остановлены в 2010 году. [117] В качестве стимула для стран Европейского союза продолжать производство биотоплива существуют налоговые льготы на определенные квоты произведенного биотоплива. В Германии минимальный процент биодизеля в транспортном дизельном топливе установлен на уровне 7%, так называемый «B7».
Малайзия планирует внедрить общенациональную программу по биотопливу на основе пальмового масла B20 к концу 2022 года. Мандат на производство биотоплива с 20% содержанием пальмового масла, известного как B20, для транспортного сектора был впервые введен в действие в январе 2020 года, но столкнулся с задержками из-за ограничений на передвижение, введенных для сдерживания вспышек коронавируса. [120]
До 40% кукурузы, производимой в Соединенных Штатах, используется для производства этанола, [121] а во всем мире 10% всего зерна превращается в биотопливо. [122] 50% сокращение зерна, используемого для биотоплива в США и Европе, заменит весь экспорт зерна из Украины . [123]
В некоторых бедных странах рост цен на растительное масло вызывает проблемы. [124] [125] Некоторые предлагают производить топливо только из непищевых растительных масел, таких как рыжиковое , ятрофа или прибрежная мальва [126] , которые могут процветать на маргинальных сельскохозяйственных землях, где многие деревья и культуры не будут расти или будут давать лишь низкие урожаи.
Другие утверждают, что проблема более фундаментальна. Фермеры могут переключиться с выращивания продовольственных культур на выращивание биотопливных культур, чтобы заработать больше денег, даже если новые культуры несъедобны. [127] [128] Закон спроса и предложения предсказывает, что если меньше фермеров производят продукты питания, цены на них вырастут. Это может занять некоторое время, так как фермерам может потребоваться некоторое время, чтобы изменить то, что они выращивают, но рост спроса 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 высокой цены на растительное масло. [129]
Биодизель из морских водорослей не обязательно вытеснит наземные земли, которые в настоящее время используются для производства продуктов питания, и могут быть созданы новые рабочие места в сфере выращивания водорослей .
Для сравнения следует отметить, что при производстве биогаза используются сельскохозяйственные отходы для получения биотоплива , известного как биогаз, а также производится компост , тем самым улучшая сельское хозяйство, устойчивость и производство продуктов питания.
Всплеск интереса к биодизелю выявил ряд экологических эффектов , связанных с его использованием. К ним потенциально относятся сокращение выбросов парниковых газов , [130] вырубка лесов , загрязнение и скорость биодеградации .
Согласно Анализу воздействия на регулирование Программы стандартов возобновляемого топлива, опубликованному Агентством по охране окружающей среды (EPA) США в феврале 2010 года, биодизель из соевого масла в среднем обеспечивает 57%-ное снижение выбросов парниковых газов по сравнению с нефтяным дизельным топливом, а биодизель, произведенный из отработанного жира, обеспечивает 86%-ное снижение. Более подробную информацию см. в главе 2.6 отчета EPA.
Однако экологические организации, например, Rainforest Rescue [131] и Greenpeace [132] , критикуют выращивание растений, используемых для производства биодизеля, например, масличных пальм, соевых бобов и сахарного тростника. Вырубка лесов в тропических лесах усугубляет изменение климата, а чувствительные экосистемы разрушаются, чтобы расчистить земли для плантаций масличной пальмы, соевых бобов и сахарного тростника. Более того, биотопливо способствует голоду в мире, поскольку пахотные земли больше не используются для выращивания продуктов питания. Агентство по охране окружающей среды опубликовало данные в январе 2012 года, показывающие, что биотопливо, произведенное из пальмового масла, не будет учитываться в мандате США на возобновляемые виды топлива, поскольку оно не является благоприятным для климата. [133] Экологи приветствуют этот вывод, поскольку рост плантаций масличной пальмы привел к вырубке тропических лесов, например, в Индонезии и Малайзии. [133] [134]
Индонезия производит биодизель в основном из пальмового масла . Поскольку сельскохозяйственные земли ограничены, для того, чтобы посадить монокультуры масличных пальм , необходимо очистить земли, используемые для других культур или тропические леса. Серьезной экологической угрозой является уничтожение тропических лесов в Индонезии. [135]
Воздействие биодизеля на окружающую среду разнообразно и не однозначно. Часто упоминаемым стимулом для использования биодизеля является его способность снижать выбросы парниковых газов по сравнению с ископаемыми видами топлива . Так это или нет, зависит от многих факторов.
Общим аргументом против биодизеля является изменение землепользования , которое может привести к еще большему количеству выбросов, чем при использовании только ископаемого топлива. [138] 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 с помощью процесса, известного как фотосинтез , который позволяет им сохранять энергию солнечного света в форме сахаров и крахмалов. После того, как биомасса преобразуется в биодизель и сжигается в качестве топлива, энергия и углерод снова высвобождаются. Часть этой энергии можно использовать для питания двигателя, в то время как углекислый газ выбрасывается обратно в атмосферу.
При рассмотрении общего объема выбросов парниковых газов важно учитывать весь процесс производства и то, какие косвенные эффекты может вызвать такое производство. Влияние на выбросы углекислого газа в значительной степени зависит от методов производства и типа используемого сырья. Расчет интенсивности выбросов углерода биотоплива является сложным и неточным процессом и в значительной степени зависит от допущений, сделанных при расчете. Расчет обычно включает:
Другие факторы могут быть очень значимыми, но иногда их не принимают во внимание. К ним относятся:
Если не учитывать изменение землепользования и предполагать современные методы производства, биодизель из рапса и подсолнечного масла производит на 45% -65% меньше выбросов парниковых газов, чем нефтедизель. [139] [140] [141] [142] Однако ведутся исследования по повышению эффективности производственного процесса. [139] [141] Биодизель, произведенный из использованного кулинарного масла или других жировых отходов, может сократить выбросы CO2 на целых 85%. [136] Пока сырье выращивается на существующих пахотных землях, изменение землепользования оказывает незначительное или совсем не влияет на выбросы парниковых газов. Однако есть опасения, что увеличение производства сырья напрямую влияет на скорость вырубки лесов. Такие сплошные рубки приводят к высвобождению углерода, хранящегося в лесах, почве и торфяных слоях. Объем выбросов парниковых газов от вырубки лесов настолько велик, что выгоды от более низких выбросов (вызванных только использованием биодизеля) будут незначительными в течение сотен лет. [136] [138] Биотопливо, произведенное из такого сырья, как пальмовое масло, может, таким образом, вызывать гораздо более высокие выбросы углекислого газа, чем некоторые виды ископаемого топлива. [143]
В Соединенных Штатах биодизель является единственным альтернативным топливом , успешно прошедшим требования испытаний на воздействие на здоровье (Уровень I и Уровень II) Закона о чистом воздухе (1990 г.) .
Биодизель может сократить прямые выбросы твердых частиц из выхлопной трубы , мелких частиц твердых продуктов сгорания, на транспортных средствах с сажевыми фильтрами на целых 20 процентов по сравнению с дизельным топливом с низким содержанием серы (< 50 ppm). Выбросы твердых частиц в результате производства сокращаются примерно на 50 процентов по сравнению с дизельным топливом из ископаемого сырья. [144]
Исследование Университета Айдахо сравнило скорости биодеградации биодизеля, чистых растительных масел, смесей биодизеля и нефтяного дизельного топлива и чистого 2-D дизельного топлива. Используя низкие концентрации продукта, который должен быть деградирован (10 ppm) в питательных веществах и растворах с измененным осадком сточных вод, они продемонстрировали, что биодизель деградировал с той же скоростью, что и контроль декстрозы, и в 5 раз быстрее, чем нефтяное дизельное топливо в течение 28 дней, и что смеси биодизеля удвоили скорость деградации нефтяного дизельного топлива посредством совместного метаболизма . [145] В том же исследовании изучалась деградация почвы с использованием 10 000 ppm биодизеля и нефтяного дизельного топлива, и было обнаружено, что биодизель деградировал в почве в два раза быстрее нефтяного дизельного топлива. Во всех случаях было установлено, что биодизель также деградировал более полно, чем нефтяное дизельное топливо, которое производило плохо деградируемые неопределенные промежуточные продукты. Исследования токсичности для того же проекта не выявили смертей и мало токсических эффектов у крыс и кроликов при концентрации до 5000 мг/кг биодизеля. Нефтяной дизель также не показал смертей при той же концентрации; однако токсические эффекты, такие как потеря шерсти и обесцвечивание мочи, были отмечены при концентрации >2000 мг/л у кроликов.: [146]
Поскольку биодизель становится все более широко используемым, важно учитывать, как потребление влияет на качество воды и водные экосистемы. Исследования, изучающие биоразлагаемость различных видов биодизельного топлива, показали, что все изученные виды биотоплива (включая чистое рапсовое масло, чистое соевое масло и их модифицированные эфирные продукты) были «легко биоразлагаемыми» соединениями и имели относительно высокую скорость биоразложения в воде. [147] Кроме того, присутствие биодизеля может увеличить скорость биоразложения дизельного топлива посредством совместного метаболизма. По мере увеличения соотношения биодизеля в смесях биодизель/дизельное топливо, тем быстрее разлагается дизельное топливо. Другое исследование с использованием контролируемых экспериментальных условий также показало, что метиловые эфиры жирных кислот, основные молекулы в биодизеле, разлагались гораздо быстрее, чем нефтяное дизельное топливо в морской воде. [148]
При рассмотрении выбросов от использования ископаемого топлива и биотоплива исследования обычно фокусируются на основных загрязняющих веществах, таких как углеводороды. Общепризнанно, что использование биодизеля вместо дизельного топлива приводит к существенному сокращению регулируемых выбросов газа, но в исследовательской литературе наблюдается отсутствие информации о нерегулируемых соединениях, которые также играют роль в загрязнении воздуха. [149] Одно исследование было сосредоточено на выбросах некритериальных карбонильных соединений при сжигании чистого дизельного топлива и смесей биодизеля в дизельных двигателях большой мощности. Результаты показали, что выбросы карбонила формальдегида, ацетальдегида, акролеина, ацетона, пропионового альдегида и масляного альдегида были выше в смесях биодизеля, чем выбросы от чистого дизельного топлива. Использование биодизеля приводит к более высоким выбросам карбонила, но более низким общим выбросам углеводородов, что может быть лучшим вариантом в качестве альтернативного источника топлива. Были проведены другие исследования, которые противоречат этим результатам, но сравнения трудно проводить из-за различных факторов, которые различаются между исследованиями (таких как типы топлива и используемые двигатели). В статье, в которой сравнивались 12 исследовательских статей о выбросах карбонила при использовании биодизельного топлива, было обнаружено, что в 8 из них сообщалось об увеличении выбросов карбонильных соединений, тогда как в 4 сообщалось об обратном. [149] Это свидетельствует о том, что по этим соединениям все еще требуется провести много исследований.
Смазывающая способность топлива играет важную роль в износе, который происходит в двигателе. Дизельный двигатель использует свое топливо для обеспечения смазывающей способности металлических компонентов, которые постоянно контактируют друг с другом. [150] Биодизель является гораздо лучшей смазкой по сравнению с ископаемым нефтяным дизельным топливом из-за наличия эфиров. Испытания показали, что добавление небольшого количества биодизеля к дизельному топливу может значительно повысить смазывающую способность топлива в краткосрочной перспективе. [151] Однако в течение более длительного периода времени [ необходимо разъяснение ] (2–4 года), исследования показывают, что биодизель теряет свою смазывающую способность. [152] [ неудачная проверка ] Это может быть связано с усилением коррозии с течением времени из-за окисления ненасыщенных молекул или повышенным содержанием воды в биодизеле из-за поглощения влаги. [58]
Одной из главных проблем, связанных с биодизелем, является его вязкость. Вязкость дизельного топлива составляет 2,5–3,2 сСт при 40 °C, а вязкость биодизеля, изготовленного из соевого масла, составляет от 4,2 до 4,6 сСт [153] Вязкость дизельного топлива должна быть достаточно высокой, чтобы обеспечить достаточную смазку для деталей двигателя, но достаточно низкой, чтобы течь при рабочей температуре. Высокая вязкость может засорить топливный фильтр и систему впрыска в двигателях. [153] Растительное масло состоит из липидов с длинными цепями углеводородов, для снижения его вязкости липиды расщепляются на более мелкие молекулы эфиров. Это делается путем преобразования растительного масла и животных жиров в алкиловые эфиры с использованием переэтерификации для снижения их вязкости [154] Тем не менее, вязкость биодизеля остается выше, чем у дизельного топлива, и двигатель может не иметь возможности использовать топливо при низких температурах из-за медленного потока через топливный фильтр. [155]
Биодизель имеет более высокий удельный расход топлива на торможение по сравнению с дизельным топливом, что означает, что для того же крутящего момента требуется больший расход биодизельного топлива. Однако было обнаружено, что смесь биодизеля B20 обеспечивает максимальное увеличение тепловой эффективности, самое низкое удельное потребление энергии на торможение и более низкие вредные выбросы. [6] [58] [150] Производительность двигателя зависит от свойств топлива, а также от сгорания, давления впрыска и многих других факторов. [156] Поскольку существуют различные смеси биодизеля, это может объяснять противоречивые отчеты относительно производительности двигателя.
Сырье, используемое для производства биодизеля, изменяет свойства топлива, изменяя среднюю длину углеродной цепи и количество двойных связей, присутствующих в метиловых эфирах жирных кислот. [157]
Когда биодизель охлаждается ниже определенной точки, некоторые молекулы объединяются и образуют кристаллы. Топливо начинает казаться мутным, как только кристаллы становятся больше одной четверти длины волны видимого света — это точка помутнения (CP). По мере дальнейшего охлаждения топлива эти кристаллы становятся больше. Самая низкая температура, при которой топливо может проходить через 45-микрометровый фильтр, — это точка холодного закупоривания фильтра (CFPP). [158] По мере дальнейшего охлаждения биодизель будет превращаться в гель, а затем затвердевать. В Европе существуют различия в требованиях к CFPP между странами. Это отражено в различных национальных стандартах этих стран. Температура, при которой чистый (B100) биодизель начинает превращаться в гель, значительно различается и зависит от смеси эфиров и, следовательно, исходного масла, используемого для производства биодизеля. Например, биодизель, произведенный из сортов семян канолы с низким содержанием эруковой кислоты (RME), начинает превращаться в гель примерно при −10 °C (14 °F). Биодизель, произведенный из говяжьего жира и пальмового масла, имеет тенденцию к гелеобразованию при температуре около 16 °C (61 °F) и 13 °C (55 °F) соответственно. [159] Существует ряд коммерчески доступных добавок, которые значительно снижают температуру застывания и температуру засорения холодного фильтра чистого биодизеля. Зимняя эксплуатация также возможна путем смешивания биодизеля с другими видами топлива, включая дизельное топливо с низким содержанием серы № 2 и дизельное топливо/ керосин № 1 .
Другой подход к использованию биодизеля в холодных условиях заключается в использовании второго топливного бака для биодизеля в дополнение к стандартному топливному баку для дизельного топлива. Второй топливный бак может быть изолирован , а нагревательная спираль с использованием охлаждающей жидкости двигателя проходит через бак. Топливные баки можно переключать, когда топливо достаточно теплое. Похожий метод можно использовать для эксплуатации дизельных транспортных средств с использованием чистого растительного масла.
Биодизель может содержать небольшие, но проблемные количества воды. Хотя он лишь немного смешивается с водой, он гигроскопичен . [160] 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. [ необходима цитата ] Кроме того, может быть вода, остаточная после обработки или образовавшаяся в результате конденсации в резервуаре для хранения . Наличие воды является проблемой, поскольку:
Раньше количество воды, загрязняющей биодизель, было трудно измерить путем взятия проб, поскольку вода и масло разделяются. Однако теперь можно измерить содержание воды с помощью датчиков воды в масле. [161]
Загрязнение водой также является потенциальной проблемой при использовании определенных химических катализаторов, участвующих в процессе производства, существенно снижая каталитическую эффективность базовых (высокий pH) катализаторов, таких как гидроксид калия . Однако было показано, что методология производства сверхкритического метанола, в которой процесс переэтерификации нефтяного сырья и метанола осуществляется при высокой температуре и давлении, в значительной степени не подвержена влиянию присутствия загрязнения водой на этапе производства.
Были проведены исследования по поиску более подходящих культур и повышению выхода масла. Возможны и другие источники, включая человеческие фекалии , поскольку Гана построила свой первый «биодизельный завод, работающий на фекальном шламе». [162]
Специально выведенные сорта горчицы могут давать достаточно высокий выход масла и очень полезны в севообороте со злаковыми культурами, а также имеют дополнительное преимущество в том, что мука, остающаяся после отжима масла, может действовать как эффективный и биоразлагаемый пестицид. [163]
NFESC совместно с базирующейся в Санта-Барбаре компанией Biodiesel Industries работает над разработкой биодизельных технологий для ВМС и армии США, одного из крупнейших потребителей дизельного топлива в мире. [164]
Группа испанских разработчиков, работающих в компании Ecofasa, объявила о создании нового биотоплива из мусора. Топливо создается из обычных городских отходов, которые обрабатываются бактериями для получения жирных кислот, которые могут быть использованы для производства биодизеля. [165]
Другой подход, не требующий использования химикатов для производства, предполагает использование генетически модифицированных микробов. [166] [167]
С 1978 по 1996 год Национальная лаборатория возобновляемой энергии США экспериментировала с использованием водорослей в качестве источника биодизеля в рамках « Программы водных видов ». [114] В самостоятельно опубликованной статье Майкла Бриггса из UNH Biodiesel Group приводятся оценки реалистичной замены всего автомобильного топлива биодизелем путем использования водорослей с содержанием натурального масла более 50%, которые, по мнению Бриггса, можно выращивать в водорослевых прудах на очистных сооружениях. [168] Затем эти богатые маслом водоросли можно извлечь из системы и переработать в биодизель, а высушенный остаток подвергнуть дальнейшей переработке для получения этанола.
Производство водорослей для сбора масла для биодизеля еще не было реализовано в коммерческих масштабах, но были проведены технико-экономические исследования , чтобы прийти к вышеуказанной оценке урожайности. В дополнение к прогнозируемой высокой урожайности, водорослевое выращивание — в отличие от биотоплива на основе сельскохозяйственных культур — не влечет за собой снижение производства продуктов питания , поскольку для этого не требуются ни сельскохозяйственные угодья , ни пресная вода . Многие компании занимаются биореакторами из водорослей для различных целей, включая масштабирование производства биодизеля до коммерческих уровней. [169] [170] Биодизельные липиды можно извлечь из влажных водорослей с помощью простой и экономичной реакции в ионных жидкостях . [171]
Millettia pinnata , также известная как масличное дерево Понгама или Понгамия, — это бобовое масличное дерево, которое было определено как кандидат для производства непищевого растительного масла.
Плантации понгамии для производства биодизеля имеют двойную экологическую выгоду. Деревья и хранят углерод, и производят мазут. Понгамия растет на маргинальных землях, не пригодных для продовольственных культур, и не требует нитратных удобрений. Маслопроизводящее дерево имеет самую высокую урожайность среди масличных растений (примерно 40% от веса семян — это масло) при выращивании на истощенных почвах с высоким содержанием соли. Оно становится основным направлением в ряде исследовательских организаций по биодизелю. [172] Главными преимуществами понгамии являются более высокая степень извлечения и качество масла, чем у других культур, и отсутствие прямой конкуренции с продовольственными культурами. Однако выращивание на маргинальных землях может привести к снижению урожайности масла, что может вызвать конкуренцию с продовольственными культурами за лучшую почву.
Несколько групп в различных секторах проводят исследования Jatropha curcas , ядовитого кустарникового дерева, семена которого, по мнению многих, являются жизнеспособным источником исходного биодизельного масла. [173] Большая часть этих исследований направлена на улучшение общего выхода масла Jatropha с акра за счет достижений в области генетики, почвоведения и садоводческих методов.
Компания SG Biofuels , разработчик ятрофы из Сан-Диего, использовала молекулярную селекцию и биотехнологию для производства элитных гибридных семян ятрофы, которые демонстрируют значительное улучшение урожайности по сравнению с сортами первого поколения. [174] Компания SG Biofuels также утверждает, что такие штаммы дают дополнительные преимущества, включая улучшенную синхронность цветения, более высокую устойчивость к вредителям и болезням и повышенную устойчивость к холоду. [175]
Plant Research International, подразделение Вагенингенского университета и исследовательского центра в Нидерландах, поддерживает текущий проект по оценке ятрофы (JEP), в рамках которого изучается возможность крупномасштабного выращивания ятрофы с помощью полевых и лабораторных экспериментов. [176]
Центр устойчивого энергетического земледелия (CfSEF) — некоммерческая исследовательская организация со штаб-квартирой в Лос-Анджелесе, занимающаяся исследованиями ятрофы в области растениеводства, агрономии и садоводства. Предполагается, что успешное изучение этих дисциплин увеличит урожайность фермы ятрофы на 200–300% в течение следующих десяти лет. [177]
Так называемые жиры, масла и смазочные материалы (FOG), извлеченные из сточных вод , также могут быть превращены в биодизельное топливо. [178]
Группа ученых из Российской академии наук в Москве опубликовала в 2008 году статью, в которой утверждалось, что им удалось выделить большое количество липидов из одноклеточных грибов и превратить их в биодизель экономически эффективным способом. [179]
Недавнее открытие разновидности грибка Gliocladium roseum указывает на производство так называемого мико-дизеля из целлюлозы. Этот организм был недавно обнаружен в тропических лесах северной Патагонии и обладает уникальной способностью преобразовывать целлюлозу в углеводороды средней длины, обычно встречающиеся в дизельном топливе. [180]
Исследователи из Университета Невады, Рино , успешно произвели биодизель из масла, полученного из использованной кофейной гущи . Их анализ использованной гущи показал содержание масла от 10% до 15% (по весу). После того, как масло было извлечено, оно подвергалось обычной переработке в биодизель. Подсчитано, что готовый биодизель может быть произведен примерно за один доллар США за галлон. Кроме того, сообщалось, что «технология несложная» и что «вокруг так много кофе, что потенциально можно было бы производить несколько сотен миллионов галлонов биодизеля в год». Однако, даже если бы вся кофейная гуща в мире использовалась для производства топлива, произведенное количество составило бы менее 1 процента от дизельного топлива, используемого в Соединенных Штатах ежегодно. «Это не решит мировую энергетическую проблему», — сказал доктор Мисра о своей работе. [181]
Разработан микрореактор для преобразования биодизеля в водородный пар для питания топливных элементов. [182]
Паровой риформинг , также известный как риформинг ископаемого топлива, представляет собой процесс, который производит водородный газ из углеводородного топлива, в частности биодизеля из-за его эффективности. **Микрореактор**, или риформер, представляет собой устройство для обработки, в котором водяной пар реагирует с жидким топливом при высокой температуре и давлении. При температурах от 700 до 1100 °C катализатор на основе никеля позволяет производить оксид углерода и водород: [183]
Углеводород + Н
2О ⇌ СО + 3 Н
2(Высоко эндотермический)
Кроме того, более высокий выход газообразного водорода может быть получен путем дальнейшего окисления оксида углерода с целью получения большего количества водорода и диоксида углерода:
СО + Н
2О → СО2 + Н
2(Слабо экзотермический)
По состоянию на 2020 год [update]исследователи из австралийского CSIRO изучали сафлоровое масло специально выведенного сорта в качестве смазочного материала для двигателя , а исследователи из Центра передовых топливных технологий Университета штата Монтана в США изучали эффективность масла в большом дизельном двигателе , и их результаты описывают как «переломный момент». [184]
{{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь ){{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )[Б]иодизель считается возобновляемым топливом. Он обеспечивает 60-процентное снижение выбросов CO2 от скважины к колесу
Основные территории, оставшиеся для новых обширных плантаций, — это большие участки тропических торфяников — до недавнего времени девственные районы дождевых лесов. Более 50% новых плантаций запланировано на этих торфяниках
Том Бир; Тим Грант; Гарри Уотсон; Дойна Олару (2004). Анализ выбросов в течение жизненного цикла топлива для легковых автомобилей (PDF) (Отчет). CSIRO. Австралийское управление по парниковым эффектам. HA93A-C837/1/F5.2E.
