Т. Ф. Кайгородцева Биотехнологии и альтернативные источники автомобильного топлива

Т.Ф. Кайгородцева

Биотехнологии и альтернативные источники

автомобильного топлива

Рост автомобильного парка, ужесточение экологических требований к качеству автомобильных бензинов и сокращение запасов нефти вызывают необходимость разработки и применения альтернативных заменителей нефтяных топлив.

Если водородное топливо - дело будущего, то биоэтанол уже подошел к отметке коммерческой привлекательности. Когда цены на нефть на мировом рынке достигают 50 долларов за баррель, биотопливо становится конкурентоспособным.

Целесообразность применения этанола в производстве моторного топлива является бесспорной для большинства стран мира.

Использовать этанол в качестве моторного топлива первым предложил Генри Форд, который в 1880 году создал первый автомобиль, работающий на спирте. Возможность использования этанола в качестве моторного топлива была продемонстрирована в Париже в 1902 году, где выставлялись более 70 карбюраторных автомобилей, работающих на этаноле и смесях этанола с бензином. Однако широкого применения этанол в качестве моторного топлива в то время не получил из-за высокой стоимости.

В период первого (1973г.) и второго (1979г.) нефтяных кризисов в ряде стран, в том числе Бразилия, начали осуществляться программы по использованию этанола в качестве моторного топлива.

Первоначально этанол применялся в смеси с бензином, а затем специальные автомобили стали работать на чистом этаноле. Основными производителями этанола является Бразилия и США: 57% мирового объема производства (12 млрд.л/год) приходится на Бразилию и 7,5 млрд.л/год на США. В связи с запретом на применение МТБЭ, по предварительным прогнозам, потребность США в этаноле к 2007 году возрастет до 26,5 млрд.л/год, а к 2012 году-до 53 млрд.л/год.

В США применение газахола (бензин с 10% этанола ) было начато в 1973 году. При смешении 10% этанола с бензинами наблюдается повышение октанового числа на 2-3 ед. и снижение температур: начала кипения, отгона 10% - ной фракции, склонности к образованию паровых пробок на 5-8 °С из-за образования низкокипящих азеотропов этанола с углеводородами и водой.

Биоэтанол не содержит воду и производится укороченной дистилляцией – две ректификационные колонны вместо пяти для спирта, применяемого в пищевой промышленности. Практически доказано, что если в бензин добавить до 10% спиртосодержащих добавок, получается моторное топливо с октановым числом 95–98. Согласно проведенным исследованиям, при сгорании такого биотоплива число вредных выбросов сокращается на 30%.

Перспективы потребления биотоплив в Европе, при цене 350-450 евро за 1 т н.э., оцениваются следующим образом (млн. т н.э./год): 2000 г. – 0.9, 2020 г. – 37.0.

разных культур

Сырьем для получения биоэтанола (С₂Н₅OН, молекулярный вес 46.1, стехиометрическое отношение воздух/этанол = 9.0) является сахарная свекла, сахарный тростник, кукуруза, пшеница, картофель, сладкое сорго, касава. Цены на мировом рынке этанола представлены в табл. 2.

Мировая потенциальная потребность в этаноле составляет 2 млрд. т в год [2], современное мировое производство – 32 млн. т в год, из них 4 млн. м³ – пищевой этанол, 8 млн. м³ – этанол для химической промышленности, 20 млн. м³ – топливный этанол. 7% этанола производят химическим синтезом, 93% – брожением; 60% получают из сахара, 40% – из зерна. В двигателях внутреннего сгорания используется 26% этанола в смеси с бензином, в дизельных – 3%.
Таблица 2 - Цены на мировом рынке этанола

Страна	Цена (евро/м3)
Бразилия	160
Бразилия (безводный спирт)	220
США (безводный спирт)	250
Европа (безводный спирт из сахарной свеклы)	350-450
Импорт спирта в Европу	190
Источник [1].

Добавление 1 части этанола в бензин ведет к экономии 3 частей нефти. Спирт является единственным возобновляемым жидким источником топлива, добавление которого к бензину не требует изменения конструкции двигателей.

В связи с тем, что этанол можно производить из любого сахаро- и крахмало-содержащего сырья (сархного тросника и свеклы, картофеля, топинамбура, кукурузы, пшеницы, ячменя, ржи и т.д.), главным критерием выбора сырья является его доступность и наличие для переработки 365 дней в году. Учитывая то, что стоимость сырья составляет 70-80% себестоимости этанола, доступность сырья определяет выбор площадки для завода.

Кукуруза

1. 
   Самый распространенный источник крахмала.
   
2. 
   Идеальное сырье там, где ее легко выращивать => большое предложение на рынке.
   

1. 
   Содержание крахмала сильно различается.
   
2. 
   Высока вязкость из-за входящих в состав пентозанов.
   
3. 
   Требует дополнительных ферментов.
   
4. 
   Может требовать использование пеногасителя.
   

1. 
   Очень абразивен, отруби изнашивают оборудование.
   
2. 
   Урожайность ниже, чем у других зерновых.
   
3. 
   Требует специальных ферментов (бета-глюканазы).
   
4. 
   Требует использование пеногасителя.
   

1. 
   Недорогая, но меньше урожайность.
   
2. 
   Очень высока вязкость из-за входящих в состав пентозанов.
   
3. 
   Требует дополнительных ферментов (ксиланазы).
   
4. 
   Требует использование пеногасителя.
   

Таблица 3 - Выход продуктов с тонны сырья (сухой помол)

Топливный биоэтанол производится почти также, как и обычный пищевой спирт для производства алкогольных напитков, но имеется несколько существенных отличий:

При планировании завода биоэтанола надо понимать, что продажа дополнительных продуктов производства позволяет увеличить прибыльность завода-производителя биоэтанола, работающего на пшенице, ржи или ячмене.

В зависимости от способа производства дополнительными продуктами являются (таблица 4):

1 Мокрый:

- Глютен;

- СО2.

2 Сухой:

- сухая дробина с растворимыми веществами (ДДГС (DDGS). ДДГС - это все, что осталось после ферментации (оболочки зерна, дрожжи, протеин (глютен) зерна), высушенное, если необходимо хранить, или невысушенное, если есть куда продать поблизости.

ДДГС - хороший корм для животных с содержанием протеина 25%-35%, в зависимости от содержания протеина (глютена, клейковины) в зерновом сырье. Стоимость ДДГС определятся по стоимости содержащегося в нем протеина.

ДДГС можно скармливать КРС до 100% рациона, свиньям и птице - до 20% рациона.

На сушку ДДГС тратиться до 30% энергии всего завода, так что лучше иметь потребителей его (фермы КРС) поблизости. Завод на “сухом” процесе мощностью 150 млн литров в год (сырье - кукуруза) может обеспечить кормом 70,000 голов КРС.

Без продажи DDGS завода-производителя, как правило, является нерентабельным;

- углекислый газ (СО2). Углекислого газа образуется много (столько же по весу, сколько производится этанола).Цена СО2 в США - от $2 до $12 долларов за тонну в жидком виде, средняя цена $6. Поэтому общепринятая схема работы: крупная компания (такая как BOC Gases, USA или Air Products and Chemicals Incorporated ) строит на свои деньги завод по переработки СО2 рядом с заводом биоэтанола.
Таблица 4 - Выход дополнительных продуктов с 1 тонны зернового сырья

Сырье	Этанол, литров с тонны	ДДГС (DDGS), кг с тонны	CO2, кг с тонны
Пшеница	375	330	370
Рожь	357	390	350
Ячмень	330	430	320
Кукуруза	410	300	400
Источник [1].

Биодизель - это метиловый эфир, обладающий свойствами горючего материала и получаемый в результате химической реакции из растительных жиров.
По прогнозу, к 2020 г. мировое производство биодизельного топлива может составить 37 млн. т. В Европе дизельное топливо получают из рапсового масла (1- 1.5 т/га). Растительное масло этеррифицируется метанолом (1 т масла + 100 кг метанола + 100 кг глицерина) и добавляется в количестве 5% к традиционному дизельному топливу. Однако современные дизельные двигатели могут работать на 100%-ном биодизельном топливе.

Для получения метилового эфира к девяти массовым единицам растительного масла добавляется одна массовая единица метанола (т.е. 9 :1), а также небольшое количество щелочного катализатора. Все это смешивается в специальных колонах при температуре 500-800°С и нормальном давлении. В результате образуется метиловый эфир, а также побочный продукт - глицерин, широко используемый в фармацевтической и лакокрасочной промышленностях.

Полученный эфир отличается хорошей воспламеняемостью, обеспечиваемой высоким цетановым числом1. Если для минерального дизтоплива характерен показатель в 50-52%, то метиловый эфир уже изначально содержит 56-58 % цетана. Это позволяет использовать его в дизельных двигателях без прочих стимулирующих воспламенение веществ. Благодаря такому свойству метиловый эфир, получаемый из растительных масел и жиров, и был назван биодизелем.

Помимо относительно высокого цетанового числа биотопливо имеет и ряд других полезных свойств:

1. 
   Растительное происхождение. Биодизель не обладает бензоловым запахом и изготавливается из масел, сырьем для которых служат растения, улучшающие структурный и химический состав почв в системах севооборота.
   
2. 
   "Биологическая безвредность". По сравнению с минеральным маслом, 1 литр которого способен загрязнить 1 млн. л питьевой воды и привести к гибели водной флоры и фауны, биодизель, как показывают опыты, при попадании в воду не причиняет вреда ни растениям, ни животным. Кроме того, он подвергается практически полному биологическому распаду: в почве или в воде микроорганизмы за 28 дней перерабатывают 99 % биодизеля, что позволяет говорить о минимизации загрязнения рек и озер при переводе водного транспорта на альтернативное топливо.
   
3. 
   Меньше выбросов СО2. 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. Тем не менее, следует заметить, что назвать биодизель экологически чистым топливом было бы неверно. Он дает меньшее количество выбросов углекислого газа в атмосферу, но на нет их не сводит.
   
4. 
   Относительно "чистое" топливо. В мировой практике лимитируется ряд компонентов выхлопных газов, среди них: монооксид углерода СО, несгоревшие углеводороды СП, окислы азота NOX и сажа. Очевидны преимущества биодизеля по показателям продуктов сгорания: монооксида углерода, углеводородов, остаточных частиц и сажи.
   
5. 
   Малое содержание серы. Не секрет, что выбросы вредных веществ можно минимизировать при помощи катализатора - оксиката, превращающего углеводороды и окись углерода в воду и углекислый газ. Необходимо отметить, что оксикат чувствителен к присутствию в горючем серы, "отравляющей" катализатор на длительное время и приводящей к увеличению выброса остаточных частиц. Поэтому здесь особенную роль играет тот фактор, что биодизель в сравнении с минеральным аналогом почти не содержит серы (< 0,001 %, минеральный – < 0,2 %). 
   
6. 
   Хорошие смазочные характеристики. Известно, что минеральное дизтопливо при устранении из него сернистых соединений теряет свои смазочные способности. Биодизель же, несмотря на "обделенность" серой, характеризуется хорошими смазочными показателями. Это обуславливается его химическим составом и содержанием в нем кислорода.
   
7. 
   Увеличение срока службы двигателя. При работе двигателя на биодизеле одновременно производится смазка его подвижных частей, в результате которой, как показывают испытания, достигается увеличение срока службы самого двигателя и топливного насоса в среднем на 60%.
   
8. 
   Высокая температура воспламенения. Еще один технический показатель, интересный, скорее всего, для организаций, хранящих и транспортирующих ГСМ: точка воспламенения. Для биодизеля ее значение превышает 100 °С, что позволяет назвать биогорючее относительно безопасным веществом.
   

Технология базируется на основе современных методов переработки пшеницы с минимальным выходом отходов производства и освоением производства высокооктановой биоприсадки к бензинам. При планируемом годовом объеме производства в 8,2 млрд.тенге за счет переработки 300 тыс.тонн зерна будет производиться 57 тыс.тонн биоэтанола – присадки к бензинам, повышающей их октановое число, 20 тыс.тонн клейковины, 25 тыс.тонн углекислого газа и 24 тыс.тонн кормовых дрожжей.

Таким образом, Северо-Казахстанская область сделала ставку на производство продукции глубокой переработки зерна для увеличения ее конечной стоимости, что является актуальным в свете реализации в Казахстане ГПФИИР.
Литература
1. Дукенбаев К.Д. Энергетика Казахстана. Алматы: Гылым, 2003г.- 420 с.

2. World Energy Outlook, 2006, издательство МЭА, г. Париж.