ЭВОЛЮЦИЯ БИОТОПЛИВА: ОТ ДРЕВНЕГО ЧЕЛОВЕКА ДО СОВРЕМЕННЫХ ДВС

Библиография:

1. Болоев П.А., Шуханов С.Н. Разработка ресурсосберегающих технологий эксплуатации и диагностики транспортных машин в условиях Восточной Сибири. Иркутск, 2016. 151 с.

2. Степанов Н.В., Шуханов С.Н. Новая защитная смазка для хранения сельскохозяйственной техники // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: Наука и высшее профессиональное образование. 2019. № 1 (53). С. 352-358.

3. Rozhkov D., Ilyin P., Eltoshkina E., Svirbutovich O. Mathematical modeling of the differential dynamics of the galvanic process of restoring the seats of the main supports of autotractor engines // В сборнике: International Conference on Aviamechanical Engineering and Transport (AviaENT 2019). Proceedings of the International Conference on Aviamechanical Engineering and Transport (AviaENT 2019). 2019. С. 288-297.

4. Хабардин С.В., Поляков Г.Н., Шуханов С.Н. Новое техническое устройство для тяговых испытаний автотракторной техники //Тракторы и сельхозмашины. 2021. Т. 88. № 3. С. 37-41.

5. Shukhanov S.N., Kuzmin A.V., Altukhov S.V., Sukhaeva A.R. Analytical model of a pneumatic brake drive as a real research object // В сборнике: AIP conference proceedings. aip publishing, 2023. с. 020016.

6. Алтухов С.В., Шуханов С.Н. Анализ теплового состояния распылителей форсунок // Аграрная наука. 2018. № 5. С. 56-57.

7. Алтухов С.В., Шуханов С.Н. Анализ гидродинамических характеристик распылителей форсунок ДВС // Тракторы и сельхозмашины. 2018. № 3. С. 3-6.

8. Аносова А.И., Ильин П.И., Шуханов С.Н. Влияние параметров декомпрессирования цилиндров двигателя на момент сопротивления сжатию // Вестник ВСГУТУ. 2022. № 2 (85). С. 36-40.

9. Шуханов С.Н., Голубев Д.Н. Особенности системы питания инжекторного двигателя // Самара АгроВектор. 2023. Т. 3. № 3. С. 24-30.

10. Шуханов С.Н. Зависимость толщины масляного слоя в подшипниках скольжения от разных условий работы двигателей внутреннего сгорания // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2023. № 1 (99). С. 169-173.

УДК 663.911.15

ЭВОЛЮЦИЯ БИОТОПЛИВА: ОТ ДРЕВНЕГО ЧЕЛОВЕКА ДО СОВРЕМЕННЫХ ДВС

Трудко А.В., бакалавр 4 курса направления подготовки 35.03.06 «Агроинженерия». Научный руководитель: к.т.н., доцент Рыжов Ю.Н. ФГБОУ ВО Орловский ГАУ

АННОТАЦИЯ

В статье рассматривается эволюция рынка биотоплива от его начальных форм до современных технологий. Исследование этой темы важно для развития сельского хозяйства, энергетики и борьбы с изменением климата, так как применение биотоплива не только снизит загрязнение, но и улучшит экономические показатели сельскохозяйственных предприятий. Множество стран уже регулируют использование возобновляемых жидких биотоплив.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА

Рапсовое масло, биотопливо, биодизель, экология, экономика, рынок биотоплива.

ABSTRACT

The article examines the evolution of the biofuel market from its initial forms to modern technologies. Research on this topic is important for the development of agriculture, energy and the fight against climate change, as the use of biofuels will not only reduce pollution, but also improve the economic performance of agricultural enterprises. Many countries already regulate the use of renewable liquid biofuels.

KEYWORDS

Rapeseed oil, biofuels, biodiesel, ecology, economics, biofuel market.

Введение. Использование альтернативного топлива в дизельных двигателях внутреннего сгорания сельскохозяйственной техники (тракторы, автомобили, зерно-, кормо-, свеклоуборочные комбайны) имеет большое значение в решении проблемы обеспечения агропромышленного комплекса России топливно-энергетическими ресурсами и уменьшения негативного влияния от использования нефтяного топлива на окружающую среду. Большинство парка сельскохозяйственного техники оснащены дизельными двигателями внутреннего сгорания (ДВС), которые используют не возобновляемое нефтяное дизельное топливо (ДТ) в качестве основного источника энергии. При использовании такого вида топлива возникает проблема высокого содержания в отработавших газах вредных веществ, которые имеют негативное воздействие на экологическую безопасность человека, животный и растительный мир. Исследование и переход на новые виды моторного биотоплива имеет давнюю историю и является перспективным способом их решения.

Цель исследования проанализировать этапы развития состояния рынка альтернативного топлива в мире и в России и потенциал использования с целью обеспечения топливно-энергетических ресурсов агропромышленного комплекса и снижения негативного воздействия на окружающую среду, а также исследовать перспективы перехода на новые виды моторного топлива для повышения энергоавтономности сельскохозяйственных предприятий.

Текст статьи. за последние десять лет биотопливный рынок стал конкурентоспособной частью мирового энергетического рынка, заменяя традиционные виды топлива, производимые из нефтепродуктов, которые причиняют вред окружающей среде при сгорании в виду большого содержания вредных веществ в отработавших газах (табл. 1). В современных условиях многие страны рассматривают эту отрасль как важный аспект развития сельского хозяйства и общего экономического роста. Поэтому некоторые страны (США, Бразилия и др.) и группы стран Евросоюза приняли государственные программы для развития рынков биотоплива [1]. Изменение оксида углерода, углеводорода и дымности дизельных двигателей от % содержания биодобавок рапсового масла в дизельном топливе, приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Содержание вредных веществ в отработавших газах ДВС

Наименование ДТ 25%РМ/75%ДТ 50%РМ/50%ДТ 75%РМ/25%ДТ

СО 0,34 0,29 0,21 0.27

СН 0,0028 0,0021 0,0018 0,0020

N0 28,3 25,3 21,9 23,4

N1 43,7 36,3 34,8 35,4

N2 45,2 43,2 40,7 42,9

N3 51,9 51,5 45,1 49,6

N4 56,1 59,2 49,9 51,0

Ns 51,3 49,6 41,8 45,1

Nm 81,0 74,0 66,1 72,8

Бурный рост биотоплива в конце XX и начале XXI века связан с ростом цен на традиционные виды топлива, изменением климата и экологической обстановкой. Однако до настоящего времени рынок альтернативных топлив прошел несколько этапов развития:

первый этап: самый продолжительный, заключается в использовании доступных видов биотоплива. Он начался с момента, когда человек впервые стал использовать огонь, при этом в качестве топлива использовались дерево и другие твердые виды топлива, такие как кизяк и уголь (рис. 1), для различных целей, включая защиту, приготовление пищи и обогрев [2]. Жидкие виды биотоплива, такие как растительное и животное масло, стали использовать позже. Например, оливки начали перерабатывать в масло в Израиле около 4500 лет до нашей эры, а затем были созданы масла из других продуктов, таких как ворвань и сало. Некоторые народы до сих пор используют эти виды биотоплива. В этот период также широкое распространение получило производство и использование свечей из воска, выделяемого медоносными пчелами.

Второй этап: начинающийся в 70-х годах XVIII века и продолжающийся до середины XIX века, происходит бурное развитие промышленного производства, что увеличивает потребность в энергетических ресурсах [3]. В этот период в силу низкого уровня технологического развития, широко используется ворвань (китовый жир) (рис. 2), что поставило некоторые виды морских млекопитающих на грань вымирания. Хоть китовый жир обладает крайне неприятным запахом, это не помешало стать самым распространенным видом топлива для освещения домов в этот период. В результате к концу этого этапа цены на китовый жир значительно повысились и возникла необходимость разработки более доступных источников энергии [4].

Третий этап: временные границы этого периода охватывают середину XIX века и продолжаются до 70-х годов XX века. Развитие рынка биотоплива в этот период было

Рисунок 1 - Дерево и древесный уголь.

Рисунок 2 - Китовый жир

тесно связано с прогрессом в химической промышленности и машиностроении, что привело к значительному изменению в использовании биотоплива [5]. Был сделан переход от использования доступных и простых видов биотоплива к производству биотоплива с использованием высокотехнологичных методов обработки. Химическая промышленность занималась разработкой технологий для преобразования сырья в топливо, в то время как машиностроение работало над созданием двигателей, которые бы использовали это топливо [6].

В зависимости от типа сырья, биомасса разделена на три поколения. Первое поколение биотоплива включает сельскохозяйственные культуры, которые содержат сахар, крахмал и масло (например, кукуруза, сахарная свекла, соя, рапс и другие) (рис. 3). Производство этого поколения биотоплива является самым простым и широко используется во многих странах. Второе поколение биотоплива производится из сырья, выращенного специально для энергетических целей. Оно имеет более высокую производительность на единицу земельного участка и лучший энергетический баланс (меньше выбросов парниковых газов) [7]. Биотопливо третьего поколения производится из сырья, которое обладает значительно более высокой энергетической эффективностью. Водоросли и фотосинтетические микроорганизмы диаметром 0,4 мм являются примерами такого сырья. Кроме того, стоит отметить, что для выращивания этих водорослей можно использовать канализационные отходы и сточные водоёмы.

Рисунок 3 - Жидкое растительное топливо и биодизель

Тем не менее у каждого поколения биотоплива есть свои недостатки. У первого и второго поколения биотоплива недостатками являются проблемы с распределением и перераспределением земельных ресурсов, а также проблема продовольственной безопасности, возникающая из-за изъятия сельскохозяйственных культур, используемых в качестве продовольствия и корма, для производства биотоплива. Недостатки третьего поколения биотоплива обусловлены дорогостоящим процессом преобразования энергии и низкой коммерческой рентабельностью [8]. Четвертый этап: Современный рынок биотоплива начал свое развитие в 70-х годах XX века и продолжается в настоящее время. Принятие федеральных законов, разработка стандартов и технических параметров, разработка программ по производству биотоплива и глобализация процесса способствовали качественному переходу к текущему этапу развития. В результате, образовался мировой рынок биотоплива (рис. 4) [9].

Рост заинтересованности общества в использовании биотоплива обуславливается повышением выбросов парниковых газов, преимущественным развитием сельских районов и личных домохозяйств [10] Однако, принципиальным фактором являются геополитические обстоятельства, такие как мировой нефтяной кризис 1973 года и исламская революция 1979 года в Иране. В результате, стоимость нефти выросла с 3 долларов за баррель до 12, а затем до 60, а в отдельные периоды

достигала 100 долларов. Это сильно повлияло на обеспокоенность стран в отношении энергетической безопасности и стимулировало разработку собственных программ по использованию биотоплива, которые дополнили национальные стратегии в области сельского хозяйства и энергетики [11]. В конце XX века наблюдается активное развитие рынка биотоплива. Вследствие этого были разработаны и включены в упомянутые биотопливные программы инструменты регулирования. К таким инструментам относятся:

• налоговые льготы - это установленные государством особые правила, согласно которым предоставляются налоговые льготы или освобождения определенным видам деятельности в целях стимулирования их развития.

• обязательство продавать биотопливо наряду с углеводородным топливом через дистрибьюторов.

• государственные закупки - это процесс, при котором государственные органы приобретают товары и услуги для своих нужд.

• субсидирование выращивания биотопливных культур и крупных автохозяйств для оборудования и переоборудования транспортных средств - форма финансовой поддержки со стороны государства, которая направлена на обеспечение доступности и конкурентоспособности производства биотоплива.

• поддержка научно-исследовательских разработок - мера, направленная на стимулирование исследований и разработки новых технологий и методов производства биотоплива.

• распределение земельных ресурсов под биотопливные культуры - это процесс определения и установления доступных земельных участков для выращивания растений, которые будут использоваться для производства биотоплива.

• снижение банковских процентных ставок - это инструмент монетарной политики, который используется центральными банками или правительствами для стимулирования экономической активности путем снижения стоимости займов для бизнеса и потребителей.

Биоэтанол ^^»Биодизель

Рисунок 4 - Объем производства биотоплива в мире, млн. т.

У современных видов биотоплива есть и свои сдерживающие факторы, к которым можно отнести проблему распределения и перераспределения земельных ресурсов, продовольственную безопасность, к которой приводит изъятие из производства биотоплива сельскохозяйственных культур, используемых в качестве продовольствия и корма, а также дорогостоящее процесс преобразование энергии и низкой

рентабельностью при производстве некоторых видов биотоплива. Однако увеличение выбросов парниковых газов, расширение сельскохозяйственных площадей и личных домохозяйств вынуждает ученых исследовать и находить все новые виды возобновляемых источников энергии.

Однако есть и ограничения, связанные с производством биотоплива. Обеспечение необходимым сырьем, таким как сахарный тростник, кукуруза и растительные масла, может быть сложным и требовать значительных затрат. Кроме того, производство биотоплива может конкурировать с производством продовольствия, поскольку для выращивания сырья часто используются плодородные почвы и пресные воды. Тем не менее, график количественного производства биотоплива с 2006 по 2018 гг. отображает положительную тенденцию и показывает, что производство биотоплива стало значимым фактором в обеспечении энергетической безопасности и устойчивого развития. Дальнейшее развитие производства биотоплива будет зависеть от технологических, экономических и экологических факторов, а также от стратегий государств и степени поддержки данного направления развития.

Россия и жидкие виды биотоплива:

Для того чтобы в полной мере оценить потенциал России в производстве жидкого биотоплива, необходимо проанализировать некоторые факторы. С одной стороны, это географические условия, доступность транспортной инфраструктуры, знания культивации сельскохозяйственных культур, а с другой - необходимо понять, какие сельскохозяйственные культуры наилучшим образом подходят для производства этанола и биодизеля.

Однако в условиях Российской Федерации из приведенного перечня для производства жидкого биотоплива не подходят такие культуры как: сахарный тростник, маниок, масленичная пальма и кунжут, поскольку данные сельскохозяйственные культуры растут в условиях климата тропического и субтропического регионов с большим количеством осадков. Самыми подходящими же культурами для производства в России жидкого топлива считают рапс и его аналог: суперицу и пшеницу. Посевы рапса в 2023 году достигли 2110,8 тыс. га из них 526,03 озимый и 1584,79 тыс. га яровой. (рис. 5).

2500

2000

1500

1000

500

0

Рисунок 5 - Посевные площади рапса в России млн. га.

Развитие рынка биотоплива в России имеет свою отличительную особенность, связанную с рядом факторов: экономических, климатических, территориальных, производственных и др. Для резкого увеличения объемов производства биотоплива на

внутреннем рынке должны совпасть направления государственных программ с устойчивым мнением граждан о том, что биотопливо является важным средством для развития энергетического потенциала страны.

Рисунок 6 - Перспективы развития рынка биотоплива в России

Важно отметить, что у биодизеля выше показатель EROI по сравнению с этанолом, и высокое значение этого коэффициента также наблюдается у целлюлозного этанола. Преимущество целлюлозного этанола заключается в возможности его производства из различных видов сырья, таких как сельскохозяйственные отходы (жмых, зерновая солома) и продукты лесной промышленности (опилки, целлюлоза). Основным недостатком целлюлозного этанола является высокая стоимость оборудования для его производства. Ятрофа и водоросли также имеют хорошие показатели энергетической отдачи, но технологии производства биотоплива из этих видов сырья достаточно дорогостоящие и нерентабельные.

Выводы: Определив основные этапы развития и способы регулирования рынка альтернативного топлива позволяет сделать вывод о необходимости человечеству данного вида топлива. На данный момент основными ресурсами в мире являются: сахарный тростник, кукуруза, рапс соя и пальмовое масло, в России: рапс - как наиболее перспективная сельскохозяйственная культура в климатических условиях нашей страны.

Библиография:

1. Жосан А.А., Рыжов Ю.Н., Курочкин А.А. Альтернативные возобновляемые топлива // Энергосберегающие технологии и техника в сфере АПК : Сборник материалов к Межрегиональной выставке-конференции, Орел, 17-19 ноября 2010 г. Орел: Орловский государственный аграрный университет, 2011. С. 296-299.

2. Маркин С.Ю., Бахматова Г.А. Эффективность применения биотоплива в АПК // Никоновские чтения. 2009. № 14. С. 116-118.

3. Шеварыкин Д.В., Рыжов Ю.Н. Альтернативные источники энергии для сферы агропромышленного комплекса // Горинские чтения. Инновационные решения для АПК: Материалы Международной студенческой научной конференции. Тезисы докладов, п. Майский, 29-30 марта 2022 года. Т. 4. Майский: Белгородский государственный аграрный университет им. В.Я. Горина, 2022. С. 285-286.

4. Рыжов Ю.Н., Жосан А.А., Курочкин А.А. Особенности впрыскивания и горения рапсового масла и дизельного топлива в современных двигателях // Тракторы и сельхозмашины. 2012. № 6. С. 19-20.

5. Кривенко Д.А., Ишков А.В. Смесевое минерально-растительное топливо для ДВС сельскохозяйственных машин на основе местного сырья и технология его получения // Аграрная наука - сельскому хозяйству: Сборник материалов XVII Международной научно-практической конференции. В 2-х книгах, Барнаул, 09-10 февраля 2022 г. Т. Книга 2. Барнаул: Алтайский государственный аграрный университет, 2022. С. 49-52.

6. Рыжов Ю.Н., Иншаков А.П., Курочкин А.А. Двухтопливная система тракторного дизеля с многоступенчатым подогревом // Тракторы и сельхозмашины. 2014. № 6. С. 11-13.

7. Пат. 152117 U1 РФ, МПК F02D 19/06, F02M 43/00, F02M 31/125. Двухтопливная система тракторного дизеля с многоступенчатым подогревом / Рыжов Ю.Н., Курочкин А.А.; патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Орловский государственный аграрный университет»). № 2013112915/06; заявл. 22.03.2013; опубл. 10.05.2015.

8. Dual-fuel system of the diesel with mwlti-stage heating,running on compouden (plant and mineral) fuelsin a climate of russian federation / Yu. A. Kuznetsov, Yu. N. Ryzhov, A. A. Kurochkin [et al.] // Traktori i Pogonske Masine. 2014. Vol. 19, N. 2. P. 36-40.

9. Производство и использование биодизельного топлива с добавкой рапсового масла / В.И. Пахомов, В.Б. Рыков, С.И. Камбулов, Е.И. Трубилин. Краснодар: Кубанский государственный аграрный университет имени И.Т. Трубилина, 2018. 150 с.

10. Рыжов Ю.Н., Жосан А.А., Курочкин А.А. Подогреватель растительных топлив для дизельных двигателей // Особенности технического и технологического оснащения современного сельскохозяйственного производства: Сборник материалов международной научно-практической конференции, Орел, 04-05 апреля 2013 года. Орел: Орловский государственный аграрный университет, 2013. С. 66-71.

11. Рыжов Ю.Н., Трудко А.В., Лузгин Н.Е. Методы очистки топлива // Вестник Совета молодых ученых Рязанского государственного агротехнологического университета имени П.А. Костычева. 2023. № 1(17). С. 70-73.

12. Рыжов Ю.Н. Курс лекций по дисциплине «Альтернативные энергетические ресурсы»: Учебно-методическое пособие. Орел: Орловский государственный аграрный университет, 2016. 79 с.