Общая характеристика процесса. В последние годы, как за рубе­жом, так и в нашей стране, значительно повысился интерес к практиче­скому использованию растительных масел и продуктов их переработ­ки в качестве компонентов смазочных материалов и для производства биодизельного топлива. Это обуславливается тем, что запасы органи­ческого топлива истощаются, цены на них увеличиваются, но при этом наблюдается рост численности населения, наращивание производ­ственных мощностей. надо отметить, что каждая страна стремится к стабильности и безопасности. свой немаловажный вклад в повышение энергетической безопасности могут вносить новые возобновляемые виды топлива, к которым относится и биодизель.

наиболее простое и часто встречающееся определение биодизеля выглядит следующим образом: биодизель - это метиловый эфир, об­ладающий свойствами горючего материала и получаемый в результате химической реакции из растительных жиров. Известно, что молекулы жира состоят из так называемых триглицеридов: соединений трехва­лентного спирта глицерина с тремя жирными кислотами. Для полу­чения метилового эфира к девяти массовым единицам растительного масла добавляется одна массовая единица метанола (т. е. соблюдается соотношение 9 : 1), а также небольшое количество щелочного катали­затора. Все это смешивается в реакторных колоннах при температу­ре 60 °С и нормальном давлении. В результате химической реакции (рис. 77) образуется метиловый эфир и побочный продукт - глицерин, широко используемый в фармацевтической и лакокрасочной промыш­ленностях.

Рис. 77. Химические реакции при производстве биодизеля

Таким образом, из 3-х т семян рапса извлекают около 1 т масла и получают 2 т рапсового жмыха, используемого для производства ком­бикормов. После обработки масла метиловым спиртом в смеси с ката­лизатором получаем около 1 т дизельного биотоплива и глицериновой фракции, из которой можно выделить до 100 кг чистого глицерина. Кроме того, из рапсового масла может быть получено до 20 кг смеси свободных жирных кислот. А на стадии рафинирования масла можно выделить такие фармацевтические препараты, как фосфолипиды и ви­тамин Е (240-300 г из 1 т масла). Рапсовое масло, кроме использования для производства биотоплива, широко применяется при производстве смазочных материалов, особенно для гидравлических систем. Учиты­вая химико-физические свойства рапсового масла, оно часто использу­ется для производства присадок для масел. следует отметить, что ис­пользование смазочных материалов на базе нефтепродуктов во многих отраслях развитых стран очень ограничено, особенно на водном транс­порте, сельскохозяйственной технике и на производственном оборудо­вании в пищевой промышленности [Лозняк, с. с., 2009].

рассмотрим более подробно технологический процесс производ­ства биодизеля (рис. 78). После предварительной обработки семена до­водятся до нужной кондиции, измельчаются, подвергаются горячему отжиму прессами и в результате получается сырое масло и твердый остаток (жмых). Полученное масло поступает на стадию очистки. Мас­ла разделяют на следующие виды в зависимости от степени очистки:

• сырые (подвергнутые только фильтрации);

• нерафинированные (подвергаются частичной очистке, а имен­но отстаиванию, фильтрации, нейтрализации, гидратации);

• рафинированные (получают после механической очистки, ги­дратации, нейтрализации, осветления и дезодорации).

На стадию производства биодизеля и технического глицерина по­ступает именно рафинированное масло. Полученный биодизель и гли­церин после удаления воды и метанола направляются в хранилище.

Глицерин можно использовать по многим направлениям. Произ­водственно очищенный глицерин используют для производства тех­нических моющих средств. После глубокой очистки получают фар­макопейный глицерин. Добавляя фосфорную кислоту к техническому глицерину, можно получить фосфорные удобрения, которые использу­ют для нужд сельского хозяйства.

Для получения качественного биодизельного топлива необходимо выдержать ряд требований. После прохождения реакции переэтери- фикации содержание метиловых эфиров должно быть выше 96 %. Ис­пользовать метиловые эфиры в качестве топлива для дизельной техни­ки без предварительной очистки от продуктов омыления и остаточного метанола крайне вредно. Мыло засорит фильтр, а остаточный метанол оказывает вредное влияние поршневую группу и клапана двигателя. Хранить биодизель более 3 мес. не рекомендуется, поскольку он раз­лагается.

с точки зрения стандартов, биодизель представляет собой чистую янтарно-желтую жидкость такой же вязкости, как и обычный бензин. Для маркировки биодизеля чаще всего используется так называемая система BD-фактор. Это обозначение количества биодизеля в топлив­ной смеси (по аналогии буквами ВА обозначается биоалкогольное топ­ливо). например, смесь, в которой присутствует 20 % биодизеля, будет

маркироваться как BD20, чистый биодизель - BD100. В США действу­ет такая же система маркировки, однако буква D опускается (в100, в20, в50 и т д.).

Международный стандарт для биодизеля - ISO 14214. Также ис­пользуется международный стандарт ASTM D 6751, который получил наибольшее распространение в США. В Германии требования к биоди­зельному топливу заложены в стандарте DIN. Основными требования­ми всех стандартов к производственному процессу являются:

• необратимая реакция;

• удаление глицерина;

• удаление катализатора;

• удаление спирта;

• отсутствие свободных жирных кислот.

топливо, отвечающее требованиям стандартов, отличается крайне низкой токсичностью. настолько низкой, что биодизель получается в 10 раз менее токсичным, чем столовая соль. Биодизель может быть ис­пользован в любых дизельных двигателях, однако в машинах до 1992 г. выпуска могут возникнуть некоторые сложности.

как уже упоминалось, можно использовать и чистый биодизель (BD100), однако чаще применяются различные его смеси с бензино­вым топливом. В некоторых регионах США биодизель добавляется в топливо с пониженным содержанием серы. По причине недостаточ­ного содержания серы и некоторых других соединений в обычном то­пливе, оно становится менее вязким и недостаточно хорошо смазывает двигатель, в этом случае биодизель становится незаменим.

Исходя из изложенного, можно отметить следующие преимущества биодизеля в сравнении с минеральным топливом (как в плане эксплуа­тационных качеств, так и связанных с воздействием на окружающую среду) [Русан, В. И., 2004; Кундас, С. П. 2007]:

• растительное происхождение и, как следствие, возобновляе­мость ресурса (сырья для производства биодизеля);

• практически полный биологический распад (в почве или в воде микроорганизмы за месяц перерабатывают до 99 % биодизеля, поэтому при переводе водного транспорта на биодизельное то­пливо можно минимизировать загрязнение водных ресурсов);

• уменьшение выбросов С02 (при сгорании биодизеля выделяет­ся ровно такое же количество углекислого газа, которое было потреблено из атмосферы растением, являющимся исходным сырьем для производства масла, за весь период его жизни);

• малое содержание серы (в биодизеле содержится < 0,001 % при содержании в минеральном дизтопливе < 0,2 %, при том, что наличие серы в последнем снижает эффективность катализато­ра, призванного минимизировать выбросы вредных веществ; в литературе отмечают такие реализуемые эффекты, как неспо­собствование кислотным дождям и нанесению вреда архитек­турным памятникам);

• низкое содержание канцерогенного бензола;

• хорошие смазочные показатели (обуславливается химическим составом и наличием кислорода);

• высокое цетановое число (составляет 56-58, тогда как для ми­нерального дизтоплива этот показатель составляет 50-52);

• меньший расход биодизеля по сравнению с минеральным ди­зельным топливом;

• увеличение срока службы двигателя и топливного насоса (в среднем отмечается увеличение на 60 %);

• высокая температура воспламенения (более 100 °с, что немало­важно при хранении и транспортировке топлива);

• простота организации производства биодизеля и т. д.

Мировой опыт производства биодизеля. во многих странах мира (германии, франции, Австралии, Бразилии, индии, зимбабве, Японии, ирландии, Дании и др.) действуют программы по увеличению объемов производства и использования биодизеля. германия является лидером в этом направлении. Если французы добавляют 5 % биодизеля в обыч­ное дизтопливо для повышения его качества и экономических пока­зателей, чехи - 31 %, то в Германии на чистом рапсовом горючем уже ездят около 5 % всех машин.

Можно привести и ряд других примеров: Австралия планирует к 2010 г. производить 350 млн л биотоплива, Индия к 2030 г. - 60 млн т в год, в Индонезии - 10 % к 2010 г., в Дании - 10 % биотоплива к 2020 г.

Из рис. 79 можно проследить явную тенденцию к наращиванию объемов производства биодизельного топлива в различных странах Евросоюза.

Отметим тот факт, что летом 2006 г. правительство Германии уста­новило налог на биодизель в размере 9 евроцентов/л и заявило о планах постепенно повысить его до 2012 г. до 45 %, что равно налогу на тра­диционное дизельное горючее. Это известие привело к снижению про­изводства биодизеля в германии: выпуск биотоплива со 100 %-ным со­держанием биодизеля сократился в 2006 г. на 8 % - до 476 тыс. т. Тем не менее, в 2007 г. мощности по его выпуску увеличатся на 600-700 тыс. т Основные виды сырья для производства биодизеля. в мире насчитывается более 150-ти видов растений, произрастающих в раз­личных регионах и способных вырабатывать масла, а следовательно способных дать сырье для производства биодизеля, т. е. жирные или эфирные масла. Например, для США - это соя, для Европы - рапс (рис. 80), для Индонезии - пальмовое масло, Индии - ятрофа, Брази­лии - касторовое масло. также может применяться отработанное рас­тительное масло (например, в Англии создано множество компаний, занимающихся переработкой использованного в пищевой промыш­ленности масла, рыбьего жира и т. д.) [Кирюшатов, А. И., 1991].

Рис. 80. Рапс - сырье для производства биодизеля

Различные виды растений дают разный объем выхода масла с гек­тара земли, средние значения которых приведены на рис. 81.

Очень перспективным считается производство биодизеля из водо­рослей. Если с 1 га получают 446 л соевого масла или 5 950 л пальмо­вого, то с такой же площади водного пространства можно получить 95 000 л масла из водорослей.

Департамент Энергетики США с 1978 по 1996 г. исследовал водо­росли с высоким содержанием масла по программе «Aquatic Species Program». Исследователи пришли к выводу, что Калифорния, Гавайи и Нью-Мехико пригодны для промышленного производства водорослей в открытых прудах. В течение 6 лет водоросли выращивались в прудах площадью 1 000 м2. Пруд в Нью-Мехико показал высокую эффектив­ность в потреблении СО2. Урожайность составила более 50 г водорос­лей с 1 м2 в день. Двести тыс. га прудов могут производить топливо,

Рис. 81. Производство масла из различного сырья с 1 га земли

достаточное для годового потребления 5 % автомобилей сША. Двести тысяч гектаров - это менее 0,1 % земель США, пригодных для выра­щивания водорослей. У технологии еще остается множество проблем. Например, водоросли любят высокую температуру, для их производства хорошо подходит пустынный климат, но требуется некая температурная регуляция при ночных перепадах температур. В конце 1990-х гг. техно­логия не попала в промышленное производство из-за низкой стоимости нефти. Кроме выращивания водорослей в открытых прудах существу­ют технологии выращивания водорослей в малых биореакторах, рас­положенных вблизи электростанций. Сбросное тепло ТЭЦ способно покрыть до 77 % потребностей в тепле, необходимом для выращивания водорослей. эта технология не требует жаркого пустынного климата. В 2006 г. несколько компаний объявили о строительстве заводов по про­изводству биодизеля из водорослей: Global Green Solutions (Канада) по технологии компании Valcent Products (США) - мощность произ­водства 4 млн баррелей бионефти в год; Bio Fuel Systems (Испания); De Beers Fuel Limited (ЮАР) по технологии Greenfuel Technologies Corporation (США) - мощность производства 900 млн галлонов био­дизеля в год (водоросли + подсолнечное масло); Aquaflow Bionomic Corporation (Новая Зеландия) - мощность производства 1 млн литров биодизеля в год.

Следует отметить, что существуют и другие виды биотоплива на основе биодизеля. К ним можно отнести: O2Diesel - смесь 7,7 % этанола,

1 % цетановая присадка, дизельное топливо. Производится компанией O2Diesel (сША) и применяется в сША, Бразилии, индии. смесь биоди­зеля и водорода (так называемое «биотопливо второго поколения») про­изводится финской компанией Neste Oil под торговой маркой NExBTL.

на рис. 82 схематично показано, сколько биотоплива различного вида можно получить с гектара пашни и какова его эффективность ис­пользования на примере максимального пробега машины.

рис. 82. эффективность 1 га пашни для производства биотоплива

Проблемы, связанные с производством биодизеля. следует от­метить, что в сфере производства биодизельного топлива не все так од­нозначно. согласно некоторым данным, цены на традиционные виды топлива уже достигли того уровня, когда становится более выгодным преобразовывать некоторые сельскохозяйственные продукты в энер­гию, а не продовольствие. например, при текущих рыночных ценах на сахар и цене на сырую нефть, бразильским фермерам более выгодно производить из выращиваемого ими сахарного тростника этанол, а не сахар. аналогично растительное масло (например, пальмовое масло в Юго-восточной Азии) будет преобразовываться в энергию и уходить с рынка продовольственных товаров.

В мировом масштабе, с одной стороны, это является дополнитель­ным источником спроса на сельскохозяйственную продукцию, с дру­гой стороны, «в том же размере, в котором производство энергии будет «уводить» значительные ресурсы с рынка продовольствия, будут воз­растать цены на продовольствие и расти проблемы доступности про­дуктов питания» [Позняк, с. с., 2008] .

сельскохозяйственные рынки являются сложными рынками с мно­жеством взаимосвязей. Значительный рост спроса на биодизель, про­изводимый на основе растительного масла (рапсового или пальмово­го), увеличит производство связанных с ним побочных продуктов (отходов - рапсового семени, пальмового экстракта). Это будет иметь положительные последствия для фермеров, которые покупают эти от­ходы как протеиновые кормовые добавки для домашнего скота. В то же время фермеры, производящие другие виды протеиновых кормов, могут столкнуться с убытками.

Существуют опасения, что возобновляемые источники энергии будут использованы как новый предлог для предоставления субсидий сельскому хозяйству. Результатом новых субсидий станут ценовые ис­кажения на международных рынках ВИЭ, например этанола и биоди­зеля, вместо существующих искажений на рынках сахара и семян мас­личных культур.

ООН опубликовала доклад, в котором предупреждает, что быстрый и необдуманный переход на биотопливо может иметь негативные по­следствия для окружающей среды и благосостояния жителей развиваю­щихся стран. Эксперты ООН сходятся во мнении, что прежде чем уве­личить долю биотоплива в энергетическом балансе, необходимо проду­мать систему выращивания и восстановления растительных культур; и вместе с тем они опасаются, что спрос на биотопливо может привести к неконтролируемой вырубке реликтовых лесов, обеднению экосистем и эрозии почв. В качестве положительного примера в докладе приво­дится бразильский штат Сан-Пауло. Здесь фермеры, выращивающие сахарный тростник, из которого впоследствии вырабатывается этанол, обязаны по закону сохранять определенную часть своих плантаций как природные заповедники.

В этом отношении очень интересным является мнение ученого - эколога Джорджа Монбайота (George Monbiot). Он считает, что «Уро­жай сельскохозяйственных культур, из которых производят биодизель, может остаться никому не нужным, что это топливо - не решение энер­гетического кризиса, а потенциально опасное для окружающей среды вещество. В «лице» биодизеля промышленность случайно изобрела са­мое углеродистое топливо в мире». Ученый заявляет, что он не против использования отработанного масла, например, кулинарных жиров, но утверждает, что культивирование растений, которые чаще всего слу­жат компонентами биодизеля, крайне негативно сказывается на окру­жающей среде. Кроме того, что территорию, на которой выращиваются «масляные» растения, можно было бы использовать для производства пищевых продуктов, подобные плантации вредны еще и для той мест­ности, где они расположены. Джордж Монбайот сообщил, что «с 1985 по 2000 гг. распространение плантаций пальм, из которых добывается масло для биодизеля, привело к тому, что леса Малайзии сократились на 85 %. на островах суматра и Борнео из-за этого было вырублено около 4 млн га джунглей. более того, в дальнейшем под пальмовые по­садки планируется очистить еще 6 млн га лесов в Малайзии и 16,5 млн в индонезии. «весь регион словно бы пропитывается растительным маслом. орангутанги могут вообще вымереть. это же угрожает носо­рогам на суматре, тиграм, гиббонам, тапирам и тысячам других видов животных». кроме этого, «тысячи местных жителей были переселены с их территорий, а около 500 индонезийцев подверглись пыткам, когда попробовали сопротивляться», - сказал ученый в интервью.

Поэтому прежде чем начинать что-то производить, следует как можно объективнее оценить все последствия, как экономические, так и экологические.