Перспективы использования биотоплив в дизельных двигателях

Перспективы использования биотоплив в дизельных двигателях

B.А. Марков,

профессор МГТУ им. Н.Э. Баумана, д.т.н.,

C.Н. Девянин,

профессор МГАУ им. В.П. Горячкина, д.т.н.,

В.И. Крылов,

директор НИИЭМ МГТУ им. Н.Э. Баумана, к.т.н.,

В.В. Багров,

зам. директора НИИЭМ МГТУ им. Н.Э. Баумана, к.т.н.

Показаны преимущества использования в дизелях биотоплив, производимых на основе растительных масел. Приведены результаты экспериментальных исследований дизеля типа Д-245.12С малотоннажного автомобиля ЗиЛ 5301 «Бычок», работающего на смесях дизельного топлива и растительных масел.

Ключевые слова: дизельный двигатель, дизельное топливо, рапсовое масло, метиловый эфир рапсового масла, подсолнечное масло, метиловый эфир подсолнечного масла, смесевое биотопливо.

Perspective Usage of Biofuels in Diesel Engines

V.A. Markov, S.N. Devyanin, V.I. Krylov, V.V. Bagrov

Advantages of diesel engines application of biofuels produced on the basis of vegetable oils are shown. Results of experimental research of a vehicle diesel engine of the type D-245.12S of the small tonnage car ZiL 5301 «Bychok» running on mixture diesel fuel and vegetable oils have been shown.

Keywords: diesel engine, diesel fuel, rapeseed oil, rapeseed oil methyl ester, sunflower oil, sunflower oil methyl ester, mixed biofuel.

Продолжающийся энергетический кризис, прогнозы сравнительно быстрого истощения нефтяных ресурсов, проблемы загрязнения окружающей среды все острее ставят вопросы замены традиционных нефтяных моторных топлив топливами, получаемыми из альтернативных сырьевых ресурсов. Развитие топливно-энергетического комплекса России не привело к решению стоящих в настоящее время острых энергетических проблем. По-прежнему углеводороды являются главным энергетическим ресурсом, а вопросы поиска новых

альтернативных способов получения энергии остаются остро актуальными.

Мировая экономика продолжает развиваться в направлении увеличения потребления энергетических ресурсов. Так, к середине нынешнего столетия рост потребления первичных ресурсов по сравнению с 2010 г. удвоится и составит около 28 млрд т в нефтяном эквиваленте (рис. 1) [1]. При этом в связи с истощением месторождений полезных ископаемых возрастает роль возобновляемых энергетических ресурсов. В частности, к 2050 г.

прогнозируется увеличение потребления энергии гидростанций в 2 раза, энергии, получаемой из биомассы и отходов, в 3 раза, энергии из других возобновляемых ресурсов в 9 раз.

Моторные биотоплива находят все более широкое применение на транспорте и стационарных энергетических установках. При этом для легковых автомобилей, оснащенных двигателями с принудительным воспламенением, в качестве моторного топлива наибольшее использование получил биоэтанол, а для транспортных и стационарных установок с дизельными двигателями - топлива, получаемые из различных растительных масел и животных жиров.

Растительные масла и их смеси с нефтяным дизельным топливом могут использоваться в качестве моторных топлив в агропромышленных комплексах, где они непосредственно вырабатываются. Это экономически оправданно из-за отсутствия торговых наценок и расходов на их транспортировку и переработку.

Для централизованного снабжения городского автотранспорта топливом целесообразно использование продуктов переработки растительных масел - метиловых, этиловых или бутиловых эфиров растительных масел, называемых биодизелем или биодизельным топливом. Эти эфиры имеют физико-химические свойства, достаточно близкие к свойствам традиционных нефтяных дизельных топлив, что позволяет применять их в дизельных двигателях без переоснащения и модернизации последних. Моторные топлива получают из различных растительных масел - рапсового, подсолнечного, кукурузного, соевого, пальмового, пальмоядрового, арахисового, хлопкового и др. [2, 3].

Наиболее перспективной с точки зрения производства моторных топлив масличной культурой считается озимый рапс [2]. Рапс - сельскохозяйственная культура, хорошо приспособленная к умеренному климату нашей

Q.млрд т

1930 1950 1970 1990 2010 2030 2050

Годы

Рис. 1. Динамика мирового роста потребления первичных энергоресурсов 0: 1 - нефть; 2 - природный газ; 3 - уголь; 4 - гидроэнергия; 5 - биомасса и отходы; 6 - другие возобновляемые источники энергии; 7 - атомная энергия; 8 - неудовлетворенный спрос

страны, произрастает в Черноземье, Нечерноземье, Сибири, Алтайском крае, на Урале и Дальнем Востоке. В последнее десятилетие ХХ в. посевы рапса в России занимали 112...276 тыс. га, или 0,10.0,27 % всех посевных площадей сельскохозяйственных культур (4 % посевных площадей масличных культур). Производство семян рапса в эти годы увеличилось с 97 до 180 тыс. т. В начале нового тысячелетия посевные площади, отведенные в России под рапс, стали быстро увеличиваться.

В условиях Российской Федерации весьма привлекательным представляется также использование подсолнечного масла для производства биодизельного топлива. Если в мировом производстве растительных масел ведущее место занимают соевое и рапсовое масла, то в России наиболее распространенным растительным маслом является подсолнечное: объем его производства превышает 80 % общего объема производства растительных масел. Это масло вызывает дополнительный интерес еще и потому, что производство биодизельного топлива может быть организовано из отработанного фритюрного подсолнечного масла, широко применяемого в пищевой промышленности и системе общественного питания.

В странах Евросоюза наблюдается ежегодное увеличение производства биотоплив. По оценкам журнала Oil World, только в Германии ежемесячно около 80 тыс. т рапсового масла (РМ) используется как прямой заменитель моторного топлива. И это без учета еще более значительных объемов его потребления отраслью для производства метилового эфира рапсового масла (МЭРМ). Показательны данные о направлениях реализации биодизельных топлив в Германии [4]. В 2006 г. сбыт биодизельного топлива (метиловые эфиры растительных масел) в Германии составил 2,5 млн т, в том числе 1,01 млн т было использовано как примесь к нефтяному

дизельному топливу и 0,5 млн т реализовано через бензоколонки для легковых и грузовых автомобилей. Кроме этого, в качестве моторного топлива был использован 1 млн т рапсового масла.

В странах Евросоюза наибольшее применение в качестве моторных топлив для дизельных двигателей нашли сложные метиловые эфиры растительных масел [4, 5]. Производство таких биодизельных топлив продолжает расширяться: в 2005 г. объем его производства в странах Евросоюза составил около 3,5 млн т, в 2009 г. его выпуск достиг 12 млн т, а в 2011 г. было произведено уже около 18 млн т этого топлива (рис. 2) [1].

Одним из перспективных путей оздоровления отечественной экономики может стать постепенное частичное (а в долгосрочной перспективе и полное) замещение ископаемых энергоносителей энергоносителями растительного происхождения. Этому способствует исторически сложившаяся ориентация России на сельскохозяйственное производство и наличие плодородных земель для выращивания сырья, необходимого для получения биотоплив.

Однако негативные для сельского хозяйства явления, среди которых отток населения в города, снижение занятости сельского населения и

Рис. 2. Динамика роста производства биодизельного топлива 0 (эфиры растительных масел и животных жиров) в европейских странах: 1 - Бельгия; 2 - Франция; 3 - Италия; 4 - Польша; 5 - Литва

сокращение пахотных земель, привели к потере трети плодородной земли в России. Более 40 млн га выведено из оборота [1]. Для сравнения, по оценкам журнала Oil World, в настоящее время в странах ЕС рапсом было засеяно только около 7 млн га, а сельхозугодья в нашей стране насчитывают более 400 млн га, что свидетельствует об огромном потенциале России в области производства биотоплив.

Наличие больших площадей пахотных земель, пригодных для выращивания масличных культур, а также динамика увеличения урожайности подсолнечника, озимого и ярового рапса определяют потенциальную возможность России стать одним из лидирующих государств по производству биотоплива. Более того, для выращивания этого сырья могут быть использованы земли, непригодные для производства традиционной сельскохозяйственной продукции. Это земли, прилегающие к автотрассам, вредным производствам, а также расположенные в экологически неблагоприятных зонах. Использование этих земель значительно увеличит площади, отведенные для выращивания сельскохозяйственных культур, используемых для производства биотоплив. Широкомасштабное производство этих биотоплив позволит решить проблему занятости сельского населения и обеспечения гарантированных устойчивых заработков в сельской местности, поскольку спрос и цены на энергоресурсы практически непрерывно растут.

На современном этапе развития энергетики в целом и двигателестро-ения в частности одной из острейших проблем является уменьшение выбросов в окружающую среду различных токсичных компонентов отработавших газов (ОГ). Причем основным источником токсичных выбросов остается транспорт [5]. Производство и использование моторных топлив растительного происхождения являются важным фактором экологической

Еса?> МЛН Т^ГОД

1330 1ЭЭО 2000 2010 Годы

Рис. 3. Увеличение выбросов в атмосферу диоксида углерода ЕСО2, связанных с деятельностью человека в различных регионах мира: 1 - США; 2 - Канада; 3 - Западная Европа; 4 - Япония и страны Тихоокеанского региона; 5 - Латинская Америка; 6 - страны бывшего СССР; 7 - Восточная Европа; 8 - Китай; 9 - Индия; 10 - остальная Азия; 11 - Африка

безопасности России. У этой проблемы есть несколько аспектов.

В настоящее время особую значимость приобретает сокращение выбросов в окружающую среду углекислого газа (диоксид углерода) СО2. Это объясняется заметным повышением его содержания в атмосфере, вызванного быстрым ростом промышленного производства и резким увеличением количества транспортных средств. В настоящее время в атмосферу ежегодно выбрасывается более 25 млн т углекислого газа, а к 2020 г. этот показатель достигнет 35 млн т (рис. 3) [2]. Углекислый газ не оказывает непосредственного токсического действия на организм человека, но при его повышенном содержании в атмосфере создается парниковый эффект, приводящий к так называемому тепловому загрязнению окружающей среды.

При использовании топлив из сырья растительного происхождения достигается кругооборот углекислого газа и кислорода в атмосфере, поскольку при сгорании этих топлив выделяется такое количество СО2, которое было потреблено из атмосферы при выращивании сырья для производства биотоплив.

Следует отметить и другие факторы, позволяющие улучшить экологическую ситуацию в стране при широком использовании биодизельного топлива. Благодаря незначительному содержанию серы (10___15 ррт) и отсутствию полициклических ароматических соединений в растительных маслах выбросы ОГ дизелей, работающих на биотопливе, практически не содержат оксидов серы, которые, попадая в атмосферу, образуют кислоты, способствующие выпадению кислотных дождей, и полициклических ароматических углеводородов (ПАУ), являющихся канцерогенами и вызывающих онкологические заболевания. При попадании биодизельного топлива в почву и водные бассейны происходит его быстрое разложение в течение нескольких недель.

К другим экологическим факторам можно отнести возможность снижения выбросов с ОГ дизелей их основных токсичных компонентов, лимитированных современными нормативными документами, - оксидов азота NOx , монооксида углерода СО, несгоревших углеводородов СН и сажи (дымность ОГ), или твердых частиц. Для анализа показателей токсичности ОГ дизельного двигателя

при работе на биодизельных топли-вах проведены экспериментальные исследования дизеля Д-245.12С (4 ЧН 11/12,5), работающего на смесях нефтяного дизельного топлива и различных биотоплив на основе растительных масел [6-9]. Указанный дизель выпускается Минским моторным заводом (ММЗ) для малотоннажных грузовых автомобилей ЗиЛ-5301 «Бычок», а его модификации - для автобусов Павловского автомобильного завода (ПАЗ) и тракторов «Беларусь» Минского тракторного завода (МТЗ).

Результаты исследований (рис. 4) свидетельствуют о том, что наибольший эффект от использования смесей нефтяного дизельного топлива и био-топлив на основе растительных масел получен по дымности отработавших газов Кх. В частности рост концентрации метилового эфира рапсового масла С...... в смесевом топливе при-

МЭРМ г

водил к значительному снижению дымности ОГ Кх (см. рис. 4е). Так, на режиме максимальной мощности (п=2400 мин-1) при росте СМЭРМ с 0 до 60 % дымность Кх монотонно снижалась примерно в 2,6 раза (с 18 до 7 % по шкале Хартриджа).

Результаты определения удельных массовых выбросов нормируемых токсичных веществ в атмосферу на режимах 13-ступенчатого испытательного цикла Правил 49 ЕЭК ООН - оксидов азота вМОх, монооксида углерода еСО, несгоревших углеводородов есн (рис. 5) - свидетельствуют о заметной зависимости выбросов этих токсичных компонентов от состава смесевого биотоплива.

В частности, при увеличении содержания МЭРМ в смесевом топливе СМЭРМ с 0 до 20 % интегральные выбросы оксидов азота еМОх на режимах 13-ступенчатого цикла снизились с 7,286 до 6,542 г/(кВт-ч), то есть на 10,2 % (рис. 5е). При дальнейшем увеличении СМЭРМ до 40 и 60 % отмечен некоторый рост еМОх до значений соответственно 7,441 и 7,759 г/(кВт-ч), превышающих эти выбросы при работе на ДТ,

которые составляют 7,286 г/(кВт-ч). При росте содержания МЭРМ в сме-севом топливе с 0 до 60 % отмечено монотонное снижение удельных массовых выбросов монооксида углерода еСО с 2,834 до 1,932 г/(кВт-ч), то есть почти в 1,5 раза.

Зависимость выбросов углеводородов СН от содержания МЭРМ в смесевом топливе имеет более сложный характер. При увеличении СМЭРМ с 0 до 5 % выброс еСН уменьшился с 0,713 до 0,626 г/(кВт-ч), то есть на 12,2 %, а при дальнейшем увеличении СМЭРМ до 20 % выброс еСН возрос до 0,727 г/(кВт-ч), то есть практически до исходного значения еСН=0,713 г/(кВт-ч). С ростом СМЭРМ до 40 и 60 % выброс еСН вновь несколько уменьшился до 0,692 и 0,681 г/(кВт-ч) соответственно. Но в целом влияние содержания МЭРМ в смесевом топливе на выброс углеводородов не очень значительно.

Результаты исследований свидетельствуют о том, что даже небольшая добавка (5.10 %) растительных масел или их эфиров, содержащих около 10 % кислорода, в нефтяное топливо позволяет заметно улучшить экологические

свойства такого смесевого биотоплива. Поэтому биотоплива, получаемые из растительных масел, можно рассматривать как кислородсодержащие присадки (оксигенаты), значительно улучшающие качество смесевых био-топлив. В связи с этим на современном этапе развития двигателестроения представляется целесообразным частичное замещение, а в более отдаленной перспективе - и полная замена нефтяных топлив биотопливами.

При этом следует отметить, что полное замещение нефтяных дизельных топлив растительными маслами или их производными (метиловые или этиловые эфиры растительных масел) в ближайшей перспективе маловероятно. Это может быть проиллюстрировано следующим примером.

Как отмечено выше, наиболее перспективной с точки зрения производства моторных топлив масличной культурой считается озимый рапс, средняя урожайность семян которого в нашей стране составляет в среднем 1,6 т/га. При такой урожайности из 160 т семян рапса, собранных с 1 км2 пахотных земель, можно произвести

в

г

Рис. 4. Зависимость дымности ОГ Кх (проценты по шкале Хартриджа) дизеля Д-245.12С от объемного содержания рапсового масла СРМ (а), подсолнечного масла СПМ (б), метилового эфира рапсового масла СМЭРМ (в), метилового эфира подсолнечного масла СМЭПМ (г) в смеси с нефтяным дизельным топливом на различных скоростных режимах внешней скоростной характеристики (исследованы дизели с различной комплектацией): 1 - п = 2400 мин1; 2 - п = 1500 мин1; 3 - п = 1080 мин-1

производства, финансирование с участием государства строительства предприятий по производству биотоплива и значительные льготы производителям и потребителям биотоплива.

Литература

1. Марков В.А., Багров В.В., Девя-нин С.Н. Необходимость и перспективы использования моторных топлив растительного происхождения // Грузовик.

- 2012. - № 7. - С. 38-47.

2. Использование растительных масел и топлив на их основе в дизельных двигателях / В.А. Марков, С.Н. Девянин, В.Г. Семенов и др. - М.: ООО НИЦ «Инженер», 2011. - 536 с.

3. Льотко В., Луканин В.Н., Хачиян А.С. Применение альтернативных топлив в двигателях внутреннего сгорания. - М.: Изд-во МАДИ (ТУ), 2000. - 311 с.

4. Биоэнергетика: Мировой опыт и прогнозы развития / Л.С. Орсик, Н.Т. Сорокин, В.Ф. Федоренко и др. Под ред. В. Ф. Федоренко. - М.: ФГНУ «Росинформагро-тех», 2008. - 404 с.

5. Григорович Д.Н. Применение биотоплива на железнодорожном транспорте // Транспорт на альтернативном топливе. - 2010. - № 1. - С. 59-65.

6. Коцарь Ю.А., Головащенко Г.А., Плужников С.В. и др. Новые источники сырья для биодизеля // АГЗК+АТ. - 2011.

- № 4. - С. 23-24.

7. Марков В.А., Баширов Р.М., Габи-тов И.И. Токсичность отработавших газов дизелей. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. - 376 с.

8. Марков В.А., Шустер А.Ю., Девянин С.Н. Работа дизелей на смесях дизельного топлива и метилового эфира рапсового масла // Транспорт на альтернативном топливе. - 2009. - № 4. - С. 33-37.

9. Марков В.А., Стремяков А.В., Девянин С.Н. Работа дизелей на смесях дизельного топлива и рапсового масла // Транспорт на альтернативном топливе.

- 2009. - № 5. - С. 22-28.

10. Марков В.А., Девянин С.Н., Маркова В.В. Использование подсолнечного масла в качестве топлива для дизелей // Транспорт на альтернативном топливе.

- 2010. - № 5. - С. 42-47.

11. Марков В.А., Девянин С.Н., На-горнов С.А., Акимов В.С. Биодизельные топлива из различных сырьевых ресурсов // Транспорт на альтернативном топливе. - 2011. - № 3. - С. 25-31.

енс.есо.ес.г^кВтч)

- \ ©со

\

есс, еси.г/

7

NOi

©со

е™

/

15 Спи,%

20

40

Срм, %

a

вмог, ©СО, бен. г/

ч ^N0* ___. ——

6со \

©сн \

\

б

ew, еС0,есн,г/(кВтч) 6«

еСО

есн

20 40 Смзрм,%

в

10 20 30 СНЭЛМ,%

г

Рис. 5. Зависимость удельных массовых выбросов оксидов азота втх , монооксида углерода

еСС, несгоревших углеводородов еСН с ОГ дизеля Д-245.12С от объемного содержания рапсового масла СРМ

примерно 55 т МЭРМ. В настоящее время в России потребление дизельного топлива составляет около 55 млн т [2]. Для производства такого объема МЭРМ необходимо засеять рапсом 1 млн км2 пахотных земель. Для полного удовлетворения потребностей в дизельном топливе в России необходимо использовать под посевы рапса около 80 % всех пахотных земель. Но следует учитывать имеющуюся тенденцию повышения урожайности рапса и других масличных культур, возможность вовлечения в севооборот земель, непригодных для выращивания пищевых культур, а также возможность использования при

производстве биотоплив низкосортных, загрязненных и просроченных растительных масел.

Реальным резервом для получения биотоплив являются фритюрные масла, использованные в системе городского общественного питания и подлежащие утилизации. Эта сырьевая база достаточно обширна. Например, в Японии ежегодные отходы фритюрных растительных масел составляют 400...600 тыс. т [2]. Все эти факторы создают предпосылки для дальнейшего наращивания производства биотоплив для транспорта. Но для этого необходимы изменение структуры сельскохозяйственного