10 августа отмечается Международный день биодизеля (International Biodiesel Day). Этот неофициальный праздник экологически чистого топлива учрежден в память о первом его использовании — 10 августа 1893 года. Что такое биотопливо, в чем его плюсы и минусы и производится ли оно в России, рассказали руководители образовательных программ ИХиХФТ «химическая технология» Татьяна Функ, кандидат химических наук, и «биотехнология» — Денис Минаков, доктор технических наук.
Что такое биодизель и из чего его делают?
- Авторство: Shizhao拍摄. Собственная работа (assumed - old upload, uploader = author and "拍摄"), CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=300438
Биодизель — это вид альтернативного экологически чистого топлива, производимого из возобновляемых источников растительного и животного происхождения.
Основные источники сырья для производства биодизеля
- Растительные масла: подсолнечное, рапсовое, пальмовое, соевое, касторовое, реже или экспериментально применяют хлопковое, кокосовое, ореховое масло и масла из водорослей.
- Животные жиры: говяжий, свиной, куриный.
- Переработанные пищевые масла и жиры: использованные кулинарные жиры и отработанное растительное масло, побочные продукты мясной промышленности. Например, фритюрное масло, которое используется для приготовления картофеля фри, жареных хлебобулочных изделий, наггетсов, чак-чака, требует обязательной утилизации, оно не может быть использовано повторно, так как при нагревании в масле вырабатываются свободные жирные кислоты — канцерогенные вещества. Переработка такого масла в биодизель и является перспективным решением по его утилизации.
Таким образом, химический состав биодизеля отличается от традиционного дизельного топлива, полученного из нефти, поскольку состоит преимущественно из сложных эфиров жирных кислот (FAME Fatty Acid Methyl Esters). Использовать биодизель можно как самостоятельное топливо или добавлять в обычное дизтопливо для улучшения его экологичности и смазочных свойств (например, B30 — это топливо с содержанием 30% биодизеля в смеси).
Это совершенно новая разработка, или биотопливо было и раньше?
- Авторство: © Vyacheslav Argenberg / http://www.vascoplanet.com/, CC BY 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=127717315
Биотопливо — это не абсолютно новое явление, оно существовало задолго до современных разработок и формулировки самого понятия «биотопливо». Например, древесина на протяжении тысячелетий была основным источником энергии для отопления и приготовления пищи на протяжении тысячелетий. И это тоже, строго говоря, топливо биологического происхождения.
Если же говорить о биодизеле, то его исторической точкой отсчета считают 1890-е гг, когда Рудольф Дизель разработал двигатель, способный работать на растительном масле, а его первый успешный запуск был в 1893 году. С тех пор технологии производства и использование биотоплива получили развитие, особенно в свете сокращения запасов ископаемых видов топлива и уменьшения негативного воздействия на окружающую среду.
Современные виды биотоплива включают биоэтанол, биодизель и биогаз. Эти топлива производятся из различных источников, включая растительные масла, зерновые культуры и отходы сельского хозяйства.
Впервые промышленное производство биотоплива, в частности бутанола, было организовано в 1916 г. в США методом ферментации растительного сырья (кукурузы, патоки и др.) с использованием бактерии Clostridium acetobutylicum.
Однако масштабное развитие и популярность биотопливо получило в 50-70-х годах XX века, когда мировые цены на нефть резко выросли, и страны стали искать его альтернативные источники. Так, в Бразилии с 1970-х начали производить биоэтанол из сахарного тростника, что стало важной частью энергетической политики страны. Биоэтанол и биодизель относят к первому поколению биотоплива.
Топливо второго поколения производится из целлюлозы и лигнина, содержащихся в древесине и сельскохозяйственных отходах.
Третье поколение топлива получают из водорослей, которые могут расти очень быстро и производить значительно большее количество масла, чем рапс и соя.
Четвёртое поколение биотоплива основано на технологии преобразования углекислого газа и воды в жидкое или газообразное топливо применяя процессы фотосинтеза, электрохимического восстановления и каталитической конверсии.
Как биодизель влияет на окружающую среду?
- Экспериментальный французский поезд, работающий на биодизельном топливе. By Florian Pépellin - Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=81762569
Биодизель обладает меньшим содержанием серы и ароматических соединений по сравнению с традиционным дизельным топливом. Это приводит к снижению выброса твердых частиц, оксида азота и углеводородов, что улучшает качество воздуха и способствует уменьшению риска заболеваний дыхательных путей.
Возобновляемость сырья для биодизеля: растения, а особенно микроорганизмы, используемые для его производства, могут быть выращены за короткий срок.
Биодизель снижает выбросы парниковых газов примерно на 60–80% по сравнению с обычным дизелем и разлагается в природе без вреда, что положительно влияет на окружающую среду. Хотя при сгорании биодизеля и выделяется углекислый газ, растения для его производства поглощают примерно такое же количество CO₂ из атмосферы в процессе роста. Таким образом, цикл биодизеля теоретически близок к нейтральному с точки зрения выбросов CO₂.
Чем биотопливо лучше «обыкновенного» топлива? В чем его минусы?
- Железнодорожный вагон, заправленный биотопливом, перевозит биодизельное топливо. By Olivier Benny - Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=66041540
Наряду с экологичностью и быстрой возобновляемостью сырьевых ресурсов, биотопливо обладает и другими преимуществами перед традиционными видами топлива, произведенными из нефтепродуктов:
-
Экономическая выгода. Производство биотоплива стимулирует сельское хозяйство, создает рабочие места и поддерживает локальные экономики.
-
Технические характеристики. Совместимость с современными двигателями, позволяет использовать смеси с обычным дизелем без больших доработок.
-
Более высокая смазывающая способность уменьшает износ и продлевает срок службы деталей.
-
Высокое цетановое число биодизеля улучшает воспламеняемость, обеспечивает более эффективное сгорание и стабильную мощность, а меньшее содержание примесей снижает отложения и засоры в топливной системе, делая работу двигателя стабильнее.
Эти факторы делают биодизель привлекательным вариантом для перехода к более чистым и устойчивым источникам энергии.
Недостатки биодизеля
Однако у биодизеля есть и некоторые существенные недостатки, которые ограничивают его массовое применение:
1. Высокая себестоимость
Производство биодизеля часто оказывается дороже традиционных видов топлива. Причинами этому служат высокие затраты на выращивание сельскохозяйственных культур, сбор урожая, транспортировку и последующую обработку растительных масел.
2. Конкуренция за сырье с пищевой промышленностью
Для изготовления биодизеля используют пищевые растения (например, рапс, кукуруза), что вызывает критику из-за конкуренции между потребностью в пище и энергетическими нуждами и массовое внедрение биодизеля может повысить цены на продовольствие.
3. Невысокая энергетическая ценность
Биодизель имеет низкую теплоту сгорания (38000-39000 кДж/кг) по сравнению с традиционным дизельным топливом (43000-45000 кДж/кг, бензин 45000 кДж/кг), что ведет к увеличению расхода топлива.
4. Гелеобразование при низкой температуре
Один из основных недостатков биодизеля заключается в том, что при отрицательных температурах оно склонно к загустеванию («гелификации»), что затрудняет запуск двигателей зимой.
5. Ограниченный срок хранения
Несмотря на экологичесность самого топлива, при производстве биодизеля используются химикаты, такие как метанол и катализаторы, которые могут попадать в окружающую среду, загрязняя водоемы и почву.
Какие страны лидируют по производству биодизеля? И как дела с производством в России?
- Заправочная станция, продающая биодизель, Испания. CC BY-SA 3.0: https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1604998
Крупнейшими производителями биодизеля являются страны, стремящиеся увеличить долю альтернативных источников энергии и снизить потребление нефти. По данным OilWorld (Германия) за 2022 год, странами-лидерами по производству биодизеля были государства Европейского союза (15,3 млн тонн), Индонезия (7,6 млн тонн), США (7,2 млн тонн), Бразилия (5,31 млн тонн) и Аргентина (2,2 млн тонн), объем производства биодизеля в Китае по предварительным данным на 2025 г составит более 1 млн тонн.
По оценкам агентства Mordor Intelligence, мировой рынок биотоплива будет расти на 7,7% ежегодно до 2030 года.
Так как в настоящее время Россия удовлетворяет свои энергетические потребности в основном за счёт ископаемых видов топлива: нефти, природного газа и угля, то рынок биодизеля и других видов биотоплива развит слабо из-за отсутствия крупных производственных мощностей и политики по стимулированию их использования.
Однако такие разработки ведутся. Например, в Томском политехническом университете разработали топливо из рапсового масла. Оно отличается от биодизеля улучшенными характеристиками: не замерзает при низких температурах и может стать перспективным аналогом обычной солярки.
Пилотные проекты по выпуску биотоплива реализуют компании «Газпром нефть» и «Лукойл».
Перейдет ли когда-нибудь российская промышленность на выпуск такого экологичного топлива? Что для этого необходимо?
По мнению специалистов Российской биотопливной компании, самым важным моментом для организации производства биотоплива является цена исходного масла. Как раз цена масла будет определяющим фактором выбора сырья. Где-то это будет соя, а где-то рапс и так далее, потому что биодизель можно делать из любого масла. Производство биодизеля российской промышленностью получит развитие лишь при наличии излишков сельхозпродукции. Едва ли биотопливо полностью заменит нефтяное, скорее электричество заменит половину нефтяного топлива.