Біоетанол в Україні

відділ біотехнології поновлюваної сировини та альтернативного палива

УДК 661.72 : 662.754

           С.П. Цыганков,   д-р  техн.  наук,   А.Г. Новак,   К.Н. Лукашевич, А.И. Володько(Государственное учреждение „Институт   пищевой биотехнологии и геномики НАН Украины”, Киев)

           За последнее время в сфере альтернативных видов топлива происходит устойчивое наращивание объемов производства биоэтанола.  Однако сам по себе биоэтанол не может рассматриваться как готовое к использованию автомобильное топливо. Его необходимо смешивать с различными добавками.Поэтому возникает необходимость стандартизироватьсмесевыетопливные композиции, содержащиебиоэтанол. Рассмотрены вопросы разработки и применения этанолсодержащих топлив с учётом требований национальных и международных стандартов. Предложено обогащать биоэтанол функциональными добавками в процессе его производства.

           За останній час у сфері альтернативних видів палива відбувається  стійке нарощування обсягів виробництва біоетанолу. Однак сам по собі біоетанол не може розглядатися як готове до використання  автомобільне паливо. Його  необхідно змішувати з різними добавками. Тому виникає  необхідність стандартизувати сумішеві паливні композиції з вмістом  біоетанолу. Розглянуто питання розроблення та застосування етанолвмісних палив з врахуванням вимог національних і міжнародних стандартів. Запропоновано збагачувати біоетанол функціональними добавками в процесі його виробництва.

           Inlatteryearsthereisasteadyincreaseofbioethanolproduction.  However a bioethanol itself can not be examined as ready-to-usemotor-car fuel. It must be blended with number of additives.Therefore there is a necessity to standardize the bioethanol containing fuel blends. The questions of development and application of ethanol-containing fuels are considered taking into account the requirements of national and international standards. The bioethanol enrichment with functional additives in production process is proposed.

         Использование биоэтанола в составе автомобильных топлив

Украина – страна с 46 миллионным населением потребляет 4,5 млн. тонн бензина в год.  Собственная добыча нефти обеспечивает только 20 % этого количества, остальная часть производится в Украине из импортной нефти или завозится из соседних стран.

Бензиновая зависимость страны может быть существенно снижена за счет производства и использования альтернативных топлив, в частности, биоэтанола. Биоэтанол сам по себе не может рассматриваться как готовое автомобильное топливо. В современных двигателях для транспортных средств и сельхозмашин необходимо применять стандартизированные топливные композиции, отвечающие определенным показателям, изложенным в соответствующих  национальных и/или международных стандартах. Автопроизводители изготавливают двигатели, приспособленные для таких топлив, и отказываются от гарантий при применении иных топливных смесей.

         Пока содержание этанола в бензин-этанольном топливе не превышает 10 % об. (топлива типа Е10), его характеристики меняются несущественно и в настоящее время потребителей (например, в США)  даже не предупреждают о наличии этанола в бензине. Единственной проблемой, могущей возникнуть в этом случае, является фазовая стабильность топлива – возможность его расслоения при низких температурах и контакте с водой. Поэтому при дистрибуции таких топлив необходим определенный уровень технологической культуры, который не всегда достижим в постсоветских странах.

         Более стабильными являются топлива с содержанием более 30 % этанола в смеси с углеводородами, но с ростом доли этанола  характеристики топлива все более отличаются от требований стандартов на обычные бензины. Приходится производить определенную адаптацию двигателей и/или вводить в топливо дополнительные компоненты, “подгоняющие” его свойства под требования стандартов.

         Этанол-углеводородные топливные смеси принято обозначать буквой Е и цифрой, соответствующей процентному содержанию этанола в смеси. Например, топливо  Е10 содержит приблизительно 10 % этанола, Е85 – до 85 % этанола. В иностранной литературе встречаются определения Low Blend  Fuel,  High Blend Fuel  (топливная смесь с низким - 5...15 %,  содержанием этанола, и высоким – 60...95 %, содержанием этанола). На сегодняшний день все известные производители адаптировали автомобили к потреблению Low Blend  Fuels с содержанием этанола до 10 %.

         В Западной Европе, США и Бразилии реализуются топлива с содержанием биоэтанола     70...95 %, под маркой Е85 – Е95. Многие автопроизводители уже адаптировали двигатели под их использование. Транспорт с такими двигателями получил название FFV (Full Flexible Vehicle – полностью гибкое транспортное средство), так как способен использовать топливо с любым содержанием этанола. 

         Топливные смеси (топлива) с этанолом в США условно классифицируются по следующей схеме:

    − Е95 – денатурированный топливный этанол. Согласно ASTM 4806 он должен содержать минимум 92 % этанола, и  2…5 % денатурантов – бензина или его компонентов, остальное – присадки.

    − Е85 – топливо «FlexFuel» согласно  ASTMD5798. Оно подразделяется на три класса по минимальному содержанию этанола – 70 %, 74 % и 79 %. Остальное – бензин и присадки;

    − Е10 – топливо должно содержать около 10 % этанола, остальное – бензин и присадки.

         В качестве денатурантов запрещено использовать следующие вещества:

         − неблагоприятно влияющие на стабильность топлива, двигатель и топливную систему;

 − углеводороды с температурой кипения выше 225 ^оС;

 − метанол;

− пирролы, скипидар, кетоны и смолы.

         Топлива Е85 и Е95 стабильны при смешении с водой до 20…30 % по объему, а топливо Е10 расслаивается уже при добавлении 0,5 % воды, если не содержит специальных стабилизирующих добавок и присадок. Когда речь идет о «расслаивании» этанолсодержащих топлив типа Е10, имеется в виду, что добавление небольшого количества воды приводит к появлению помутнения и затем образования нижнего слоя бóльшего объема – за счет сорбции водой этанола из углеводород-этанольной смеси. В этом случае, даже капли воды на дне бензобака «дестабилизируют» смесевое топливо, происходит его расслаивание.

         Использование в качестве топлив  бензин-этанольных смесей с содержанием этанола 10...70 %  требует решения трех основных вопросов:

         − обеспечение фазовой стабильности при смешении с обычными бензинами и при попадании воды (подтоварной или отстоя в бензобаке);

         − обеспечение стабильного сгорания во всем диапазоне нагрузок и температур эксплуатации транспортного средства (исключение «провалов» и проблем холодного запуска);

         − понижение октанового числа бензин-этанольных смесей с одержанием этанола более 10 % до приемлемых 95...100 ед. по исследовательскому методу.

По данным РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина иИОХ им. Н.Д. Зелинского РАН в качестве стабилизаторов бензино-спиртовых смесей можно использовать: алифатические спирты С₃-С₁₂ нормального и разветвлённого строения, фенолы, алкилацетаты, простые и сложные эфиры и их металлоорганические производные, кетоны, амины, ПАВ, а также гликоли и их эфиры, альдегиды, кетали, ацетали, алкилкарбонаты, карбоновые кислоты и смеси указанных соединений. Добавка стабилизаторов препятствует расслоению спиртосодержащего бензина до температуры -40…-23 °С. Хорошим и при этом  дешёвым стабилизатором являются сивушные масла, обеспечивающие гомогенность топлива при температуре выше -25°С.

Устойчивость бензино-спиртовых смесей к расслаиванию зависит от состава бензина, содержания этанола и содержания воды в композиции. С увеличением концентрации ароматических соединений в бензине и увеличением содержания в топливе этанола температура помутнения (первая стадия расслаивания) понижается. Однако количество воды в смеси является определяющим фактором.

Долю этанола в топливе позволяет определить простой тест. Потребуется мерный стеклянный цилиндр, обычно на 100 мл. В цилиндр помещают 100 мл пробного топлива, добавляют 10 мл воды, закрывают пробкой и тщательно перемешивают в течение одной минуты. Через 2 минуты в  случае отсутствия этанола, 10 мл воды осядет на дне цилиндра. В случае присутствия этанола, он опуститься на дно вместе с водой, выходя за 10 миллилитровый предел по нижнему уровню. Вычитанием числа 10 из объема нижнего слоя в миллилитрах получим процентное содержание спирта в топливе. Добавление водорастворимого красителя сделает демонстрацию более наглядной.

Этот тест пригоден для топлив с низким содержанием спирта. Топлива типа Е85- Е95 расслаиваются при добавлении бóльшего количества воды.

Низкое давление насыщенных паров и высокая теплота парообразования спирта затрудняют запуск двигателей уже при температурах ниже +10 °С. Для улучшения пусковых качеств в этанолсодержащие топлива типа Е85 добавляют 4…6 % изопентана или 6…8 % диэтилового (диметилового) эфира, этилацетата,  что обеспечивает нормальный пуск двигателя при температуре окружающего воздуха до -30 °С.

Другие связанные с применением спиртосодержащих топлив вопросы, помимо адаптации двигателей,  решаются введением в бензин-этанольную смесь добавок и присадок разного функционального назначения общим содержанием 5...10 %. Такие добавки и присадки широко представлены на рынке известными компаниями: BASF, Akzo Nobel, Innospec,  Bang & Bonsomer, и т.п. Кроме того, в этанолсодержащие топлива входят антикоррозионные присадки, повышающие их рН до 8…9.

Существует еще один путь – производство добавок и присадок непосредственно в процессе изготовления биоэтанола. В Институте пищевой биотехнологии и геномики НАН Украины разработаны технологии, позволяющие при ректификации бражного дистиллята получать этанол  с заранее заданным количеством функциональных присадок, а затем обезвоживать полученную топливную композицию (рисунок). При достаточно высоком содержании функциональных компонентов можно обойтись даже без глубокого обезвоживания продукта, так как синтезируемые вещества обеспечат необходимую стабильность бензин-этанольных смесей и решат проблемы применения биотоплив в холодный период.

Рисунок − Принципиальная схема получения биоэтанола, обогащенного функциональными компонентами топлив. 1 – колонна бражная; 2 – колонна ректификационная; 3 – реактор;                 4 – испаритель; 5 – конденсатор. Б – барда; БР – бражка; ВО – вода охлаждающая; К – конденсат греющего пара; Л – лютерная вода; П – пар греющий; СФ – сивушная фракция

Эта технология реализована на небольших, по сравнению с зарубежными, биоэтанольных заводах Украины путем  добавления в  технологическую схему брагоректификации реактора для синтеза необходимых компонентов. Можно также организовывать на спиртовых заводах производство готовых биотоплив на основе стабильных бензинов и этанола с функциональными компонентами. Такой подход наиболее оправдан для решения проблемы перепрофилирования «лишних» спиртовых заводов Украины.

Для спиртовых заводов стран СНГ, которые переходят на выпуск биоэтанола,  целесообразно осваивать технологию производства комплексных биодобавок к топливам, содержащих этанол и его производные – простые и сложные эфиры этанола,  других спиртов и летучих кислот, ацеталей. Такие смеси могут быть получены без существенных изменений  в аппаратурном оформлении технологии биоэтанола, но имеют бóльшую по сравнению с ним потребительскую стоимость. Они могут заменить дорогие и экологически небезопасные октанповышающие компоненты, например МТБЭ.

Технология обогащения биоэтанола функциональными добавками реализована на предприятии ЗАО «Эко-Энергия» в Сумской обл. Украины. Получены некоторые композиции оксигенатов, даже не нуждающиеся в дегидратации перед смешением их со стабильными газоконденсатными бензинами при  производстве  биотоплив. Такие биотоплива по эксплуатационным качествам соответствуют стандартным бензинам с октановыми числами 95...98 по исследовательскому методу.

При высоком уровне содержания биоэтанола сгорание топлива в неадаптированных двигателях сопровождается нарушением соотношения топливо-воздух, так как для сгорания спирта нужно меньше кислорода, чем для сгорания углеводородов. Поэтому старые карбюраторные двигатели демонстрируют снижение энергетических и экологических характеристик. Более приспособлены к смесевому топливу двигатели с инжекторами, поскольку они, как правило, снабжены специальным датчиком наличия свободного кислорода в выхлопе – λ-зондом. Сигнал этого датчика позволяет  автоматически поддерживать соотношение воздух-топливо на оптимальном уровне независимо от содержания этанола в смесевом топливе. Смысл адаптирования инжекторного двигателя для FFV  заключается в применении широкополосного λ-зонда и достаточного диапазона подачи топлива с любым содержанием этанола. Кроме того, при высоких нагрузках, такая система должна обеспечивать работоспособность двигателя с использованием несколько более богатых топливовоздушных смесей.

         Такие сравнительно несложные усовершенствования позволяют поддерживать энергетические и иные эксплуатационные показатели двигателя на приемлемом уровне независимо от содержания этанола в топливе.

         Согласно нормативным документам Украины, к бензинам относятся топлива, в которых содержится не менее 70 % нефтепродуктов, и только  бензины являются подакцизным товаром. Топлива с содержанием до 30 % неуглеводородных компонентов называются смесевыми. Автомобильные топлива, в которых доля биоэтанола превышает 30 %, относятся к биотопливам и акцизным сбором не облагаются.

         Лучшая фазовая стабильность и освобождение от акцизного сбора послужили для ряда украинских компаний стимулом для разработки смесевых топлив с долей углеводородов менее   60 %. Наиболее успешным является  топливо БИО-100, потребительские свойства которого апробированы многочисленными испытаниями и реализацией в розничной торговле.

         По данным производителя топлива БИО-100 – ООО “Биоэнергетические стратегии и биотехнологии”, а также  Национального транспортного университета Украины, оно содержит 35...50 % об. биоэтанола. Таким образом, оно может без ограничений использоваться в FFV. Вместе с тем, как показали испытания, это топливо может применяться и в транспортных средствах, которые имеют обычный  λ-зонд, датчик детонации и адаптивную электронную систему управления двигателем. Меньшее содержание этанола в БИО-100 не требует увеличенной пропускной способности топливных форсунок, а обеднение смеси компенсируется адаптивными свойствами системы регулирования. При испытаниях автомобиля Mercedes-Benz S 500 на топливе БИО-100 получены такие же характеристики, что и на стандартном бензине.

         Относительно менее сложной проблемой возникающей при использовании этанолсодержащих топлив является  устойчивость деталей двигателя к этанолу и сопутствующим биоэтанолу продуктам брожения. Как правило, в производимых в настоящее время автомобилях  уже используются устойчивые к этанолу резиновые изделия,  пластики и антикоррозионные покрытия.

         Важно не допускать понижения рН топлива за счет летучих кислот. Большинство национальных и международных стандартов регламентирует предельное содержание кислот        (в пересчете на уксусную кислоту) в биоэтаноле. При изготовлении смесевых топлив необходимо вводить антикоррозионные присадки, обеспечивающие значение рН в пределах 7,5...9,0.

         Биоэтанол может служить компонентом топлив для дизельных двигателей. Речь идет не только об эфирах этанола и жирных кислот – FattyAcidsEthylEsters (FAEE), получаемых по технологии так называемого «биодизеля», а и смесевых дизельных топливах, содержащих этанол. Наиболее далеко в использовании этанола в составе дизтоплив, называемых Е-diesel, продвинулась Швеция. Самым испытаным и применяемым Е-дизелем является смесь из обычного дизтоплива, 7…10 % об. этанола и 1…2 % присадок – октан-понижающих, антикоррозионных и стабилизирующих. Состав таких топлив, используемых как в Европе, так и в обеих Америках, приведен нижев табл.1.

          Таблица 1 − Компонентный состав смесевых моторных топлив

*Различные композиции, испытанные и используемые в США и ЕС

Для использования таких топлив не требуется вносить конструктивные изменения в дизельный двигатель. Результаты многолетней эксплуатации большегрузных автомобилей не выявили никаких неполадок, вызванных использованием Е-дизеля. Теплотворная способность смесевого топлива на 3 %  ниже, чем  традиционного дизтоплива, а удельный расход – на 2,8 % выше. Эмиссия оксидов азота, оксида углерода и дымовых частиц ниже на 2; 17 и 21 %  соответственно.

Шведский автопроизводитель ScaniaAB адаптировал два своих дизельных двигателя (9-ти и 11-ти литровый) под топливо, содержащее 90 % об. этанола. Для этого были заменены детали топливных насосов и форсунок, а также применены стойкие к этанолу уплотнения. В настоящее время в Швеции эксплуатируется более 500 городских автобусов Scania OmniLink на этанольном топливе. Полностью алюминиевая машина длиной 12 метров оснащена 9-литровым двигателем мощностью 230 л.с., пассажировместимость автобуса - до 130 человек. Автобусы Scania с такими двигателями эксплуатируются в Дании, Мексике и Австралии и помогают ограничить загрязненность воздуха в крупных мегаполисах. Состав топлива для этих дизельных двигателей представлен в табл. 2.

          Таблица 2 − Состав смесевого этанольного топлива для дизельного

                                двигателя автопроизводителя ScaniaAB

         Во всех развитых странах мира продолжают наращивать производство и совершенствовать состав этанолсодержащих топлив. Автопроизводители вносят конструктивные изменения в двигатели, приспосабливая их к всевозрастающему содержанию биологических топливных компонентов. Биотопливный сектор приобретает все больший вес в мировой экономике. Этот процесс остановить уже невозможно, поэтому отстающим странам придется наверстывать упущенное.

         "Мы будем… строить ветряные электростанции и солнечные батареи, производить биотопливо из биомассы... Мы знаем, что страна, которая укротит силу чистой и возобновляемой энергии, будет лидировать в XXI веке", - это слова президента США Обамы, которые он сказал в феврале 2009г.

Выводы

• Производство и использование биоэтанола в составе альтернативных топлив для двигателей внутреннего сгорания  приобрело в во всем мире устойчивую тенденцию к возрастанию.
• В Украине начинают складываться  условия для производства этанольных топлив на базе мощностей бывших спиртовых заводов и отечественного научно-технического потенциала.
• Целесообразно применять  такие технологии, которые позволяют обогащать  биоэтанол функциональными добавками непосредственно в процессе производства, облегчая тем самым процесс получения готовых к использованию биотоплив.
• Для уменьшения зависимости Украины от импортных источников энергии и обеспечения устойчивого подъема экономики необходимо активизировать работу  по производству и использованию жидких биотоплив.