На початку появи двигунів внутрішнього згоряння вже використовували природні паливні речовини. Рудольф Дізель спочатку керував своїм двигуном арахісовою олією, оскільки вугільно-порошковий режим не працював. Відмінні властивості та низька ціна бензину та дизельного палива, отриманих із сирої нафти, незабаром витіснили використання інших видів палива в технологіях двигунів внутрішнього згоряння. Однак запаси нафти з часом закінчаться, тому інтерес переходить до інших видів палива.
Сьогодні у світі налічується близько 1 000 000 000 (один мільярд) автомобілів, і їх кількість зростає на 50–70 мільйонів на рік. До 2035 року світовий автопарк перевищить два мільярди. Кількість тракторів майже на два порядки менше, приблизно на 15 мільйонів, і щороку в усьому світі вводиться в експлуатацію два мільйони нових тракторів. Угорський парк тракторів складає приблизно 120 тисяч.
Рисунок 1. Історія та майбутнє обсягів видобутку нафти (Джерело: Evolution, журнал SKF 2013. 3. sz. 10. стор.)
Як довго це буде нафта?
Загальновідомо, що сира нафта, яка палить сучасні транспортні засоби, рано чи пізно закінчується. Кількість видобутої олії не зможе йти в ногу зі збільшенням кількості транспортних засобів. Історія щоденного видобутку сирої нафти у світі та оцінка її очікуваного розвитку наведені на рисунку 1. Виходячи з цього, пікове значення добової кількості звичайної сирої нафти, яку можна видобути з глибин землі, досягне піку через кілька років. З можливим видобутком нетрадиційних джерел нафти (наприклад, сланців) значна кількість сирої нафти буде доступна людству приблизно протягом ста років. Замість бензину та дизеля для автомобільних транспортних засобів слід поступово переходити до альтернативних паливних двигунів та альтернативних рушійних систем (наприклад, електричних) замість двигунів внутрішнього згоряння. Також розпочато виробництво та використання відновлюваних ракетних палив.
Трактори та сільськогосподарські мобільні машини ще довго будуть живитись від двигунів внутрішнього згоряння. Поступове підвищення ціни на дизель сприятиме впровадженню альтернативних видів палива в сільськогосподарські технології.
Приходить біодизель
Спектр альтернативних моторних палив, виготовлених з біологічних матеріалів, називається біопаливом. Здається очевидним, що рослинні олії можна використовувати для приводу дизельних двигунів. Сировина може бути різноманітною, наприклад, ріпакова олія, соєва олія, соняшникова олія, пальмова олія тощо. На додаток до вищезазначеного, також можуть бути розглянуті використані рослинні олії та тваринні олії, такі як риб'ячий жир. На жаль, ці оливи не можна використовувати безпосередньо на діючих дизельних двигунах, їх згоряння в двигуні недосконале, а поршні застряють під час короткої роботи через відкладення. Після деякої обробки рослинні олії можна використовувати в сучасному дизельному двигуні. Перероблені рослинні олії називаються біодизелем. Згідно з найбільш часто використовуваною класифікацією, існують первинне та вторинне біодизельне паливо.
Біодизель першого покоління
Дизельний двигун, що виробляється етерифікацією рослинних олій (тригліцеридів), називається біодизелем першого покоління. Етерифікацію проводять метанолом або етанолом, використовуючи рідкий каталізатор, найчастіше гідроксид калію. Під час процесу вільний гліцерин утворюється як побічний продукт, який відокремлюється. Звичайно, каталізатор також потрібно видалити.
Етерифікація призводить до утворення метилового ефіру жирної кислоти або етилового ефіру жирної кислоти, залежно від того, чи тригліцерид реагує з метанолом або етанолом. Ці продукти називаються біодизелем першого покоління. Загальна назва біодизеля позначає походження натуральної олії.
Моторне паливо, виготовлене з ріпакової олії в процесі етерифікації з використанням метанолу, називається ефіром ріпаку, скорочено RME. Через свою незадовільну стабільність при зберіганні та ряд інших несприятливих властивостей біодизель RME в основному використовується як компонент змішування для дизельного газойлю.
У випадку з гідрованою рослинною олією немає єдиної думки щодо того, чи слід її розглядати як паливо першого або другого покоління. Гідрування при високому тиску і температурі перетворює сполуки, що утворюють рослинне масло. Гідрогенізоване рослинне масло можна використовувати без обмежень для роботи сучасних дизельних двигунів, але як недолік слід назвати високі інвестиційні вимоги до виробничого обладнання.
Біодизель другого покоління
При виробництві біопалива другого покоління вся маса біомаси - і не тільки насіння - використовується за допомогою більш дорогих технологічних процесів. Таким чином, для обробки такої ж кількості біопалива доводиться обробляти значно менші сільськогосподарські угіддя.
Біодизель другого покоління - це т. Зв BTL (від біомаси до рідини) має чудові фізичні та моторні властивості дизеля. Він має характеристики біодизеля першого покоління, але також значно кращі фізичні та моторні характеристики, ніж звичайний дизель. Вони готуються шляхом синтезу Фішера-Тропша. Вони вже працюють напр. У Фінляндії, Німеччина, є заводи, які виробляють пропеленти BTL для комерційних цілей.
Слід зазначити біодиметиловий ефір Двигун (Bio-DME), що відмінно підходить для роботи дизельних двигунів на додаток до двигуна Otto. Серед ефірів, отриманих з біологічних вихідних матеріалів, перспективне моторне паливо отримують шляхом каталітичної дегідратації метанолу або, як і біоетанолу, в результаті каталітичної реакції синтез-газу з біомаси.
Біодиметиловий ефір є газоподібним при температурі навколишнього середовища та тиску, але розріджується при 5 бар. У цьому сенсі він схожий на LPG і може використовуватися подібним чином. В Європі масштабний проект Bio-DME був розпочатий у 2008 році.
Рисунок 2 Кількісні зміни у світовому виробництві біодизеля (Джерело: www.indexmundi.com/energy/)
Обсяг виробництва біодизеля
Протягом останнього десятиліття великі надії покладались на виробництво та використання первинного біопалива, такого як біодизель. Використання біопалива для викидів парникових газів є корисним. Що стосується місцевих викидів забруднювачів повітря, то ефект вже не є настільки однозначним. Викиди оксидів азоту та летких (неметанових) органічних сполук збільшуються або можуть збільшуватися, тоді як викиди оксиду вуглецю та твердих речовин значно зменшуються.
Зараз стало ясно, що первинне біопаливо не є альтернативою бензину та дизельному паливі. Вирощування сільськогосподарських культур для виробництва первинного біопалива вимагає дуже великих виробничих площ. Насадження пальм після вирубки тропічних лісів призводять до екологічної катастрофи. Використання продовольчих культур призводить до зростання цін на продовольство. В результаті чи незважаючи на все це, світове виробництво біодизеля зростає, див. Малюнок 2.
Малюнок 3 Сировина для світового виробництва біодизеля у 2012 році (тис. Тонн) (Джерело: http://hdl.handle.net/2437/171885)
У країнах світу для виробництва біодизеля використовують різні рослинні олії. Кількість сировини, використана для виробництва біодизеля у світі у 2012 р., За даними Ф.О. На підставі записів Ліхта, малюнок 3 це ілюструє. На сою та ріпакову олію припадає найбільша частка з 20 350 000 тонн сировини, що становить близько 65% від загальної кількості.
Рисунок 4 Обсяг виробництва біодизеля в Угорщині (Джерело: www.indexmundi.com/energy/)
Потужність вітчизняного виробництва біодизеля становить 180 тис. Тонн на рік. Найбільший завод, який здатний виробляти 150 000 тонн біодизеля на рік в Комаромі, належить Rossi Biofuel Zrt., У якому MOL Group володіє 25% акцій. На рисунку 4 показані кількісні зміни у виробництві біодизеля в Угорщині.
Базові олії, як правило, не етерифікуються окремо, а змішуються. В Угорщині загальний коефіцієнт переробки раніше становив 70% ріпакової олії та 30% жиру для смаження. Тим часом виробники прагнуть використовувати співвідношення 35% ріпакової олії, 35% соняшникової олії та 30% використаного жиру для смаження, яке все ще відповідає вимогам EN 14214: 2008, для досягнення значно нижчих виробничих витрат.
Як правило, з 1 тонни базової олії утворюється 970 кг біодизеля та 160 кг гліцеринової фази (60% гліцерину, 10% метанолу, 4-5% вільної жирної кислоти) (надлишок - метанол, доданий до виробництва). Пресовані коржі, залишені після екструзії насіння рослин, використовуються для виготовлення корму для домашніх тварин, а гліцерин може продаватися для фармацевтичних цілей. Вітчизняний біодизель використовується як компонент дизельної суміші MOL до максимум 7% (об/об).
Рисунок 5 Розподіл точки кипіння метилового ефіру дизеля та ріпаку (Джерело: Стюарт Джонсон, Інженерне та екологічне управління Volkswagen Group of America)
Моторне використання біодизеля першого покоління
Біодизель ефіру ріпаку першого покоління (RME) відстає від звичайного дизельного палива за кількома показниками. Потужність біодизельного двигуна першого покоління нижча. Він поводиться несприятливо при низьких температурах навколишнього середовища, тому слід очікувати труднощів при холодному старті. Його окислювальна стабільність гірша, окислюваний біодизель викликає корозію елементів системи подачі палива, викликаючи відкладення на карбюраторах. Він значно вразливіший до бактеріальної інфекції і може зберігатися протягом обмеженого часу. Він може поглинати значну кількість води, а біодизель на водній основі - це осередок для бактерій. Заражений біодизель є сильно корозійним і спричинює швидке засмічення паливних фільтрів. Тому системи подачі палива, розроблені для біодизельного палива не першого покоління, не підходять для роботи на чистому біодизелі.
Вивчаючи розподіл температури кипіння звичайного дизеля та біодизеля першого покоління (рис.5), можна побачити, що початкова температура кипіння біодизеля першого покоління на основі ріпаку висока, діапазон його температури кипіння значно вужчий, ніж у звичайного дизеля .
Рисунок 6. Відкладення та зношення експериментального дизельного двигуна, що використовує ефірне паливо ріпакового ефіру (Джерело: Стюарт Джонсон, Управління з питань інженерії та охорони навколишнього середовища, Volkswagen Group of America)
Різниця в температурі кипіння також впливає на процес горіння, при цьому на поршні та в кільцевій зоні утворюються сильні відкладення (рис. 6). Біодизель згоряє згодом і згорає за короткий час. Швидке згоряння збільшує кінцеву температуру горіння та кінцевий тиск. Висока температура остаточного горіння призводить до утворення більшої кількості оксидів азоту. Через високу стартову температуру кипіння біодизель, що потрапляє в моторне масло, не виходить, не накопичується і не розбавляє мастило в двигуні. Забруднене біодизелем моторне масло не утворює на товщі циліндра досить товстої мастильної плівки, тому знос двигуна прискорюється (справа на рисунку 6).
Рисунок 7 Робота інжектора з а) холодним паливом B100; б) з попередньо підігрітим паливом B100
Карбюратори холодного дизельного двигуна не працюють, як призначено для чистого RME, тому при запуску потрібно використовувати попередньо нагрітий паливо (рис. 7). Складність розпилення біодизеля також призводить до недостатнього згоряння двигуна, що спричинює відкладення сажі на кінчику розпилювача та стінці камери згоряння під час тривалої роботи.
Оскільки моторні властивості біодизеля першого покоління є несприятливими, його не можна використовувати суто для існуючих дизельних двигунів. У поєднанні з дизельним паливом біодизель не є проблемою експлуатації у співвідношенні 5-7%.
Нещодавно спроектовані дорожні комерційні та тракторні дизельні двигуни, якщо схвалені виробником, також можуть надійно працювати з біодизелем B20 (20% біодизеля та 80% дизельного дизельного палива), одночасно відповідаючи заводським специфікаціям щодо якості мастила та часу заміни мастила. Виробники дизельних двигунів постійно вдосконалюють використання першого покоління B100 (100% біодизеля) та чистої рослинної олії. Біодизель B20 та B100 недоступний на автозаправних станціях в Угорщині.
Угорське виробництво біодизеля на основі ефіру ріпаку першого покоління (приблизно 180 кт/рік) використовується для суміші 5% із вітчизняним дизелем, а по-друге, для експлуатації комерційних та сільськогосподарських дизельних двигунів, розроблених для цієї мети. Вимоги до якості біопалива встановлюються нормативними актами. Він також виклав у нормативних документах документацію щодо сталого виробництва та використання біопалива.
17 жовтня 2012 року Європейська комісія опублікувала пропозицію обмежити частку земель, перетворених на біопаливо, на глобальному рівні та краще використовувати кліматичні переваги біопалива в ЄС. Замість встановленого у 2007 році завдання на 10% на 2020 рік, частка первинного біопалива у транспортному паливі зараз обмежена 5%.
Доктор Вільмос Варга
Університет Сент Іштван
Машинобудівний факультет, Gödöllő
Використана література
Aguilárné Vass Erzsébet- Kisdeák Lajos: Лекція під назвою Невизначеність у визначенні забруднення біодизелем у мастилах дизельних двигунів. XXIV. Міжнародна конференція з технічного обслуговування, Веспрем, 4-5 червня 2012 р.