Перспективи виробництва й застосування в Україні біодизельного палива

Біодизельне паливо (біодизель, РМЕ — ріпаково-метиловий ефір, біонафта тощо) — це вид біопалива, який одержують із жирів рослинного й тваринного походження і яким замінюють нафтове дизельне паливо (ДП). З хімічного погляду біодизель являє собою суміш метилових (етилових) ефірів насичених і ненасичених жирних кислот. У процесі реакції переетерифікації олії жири вступають у реакцію з метиловим (етиловим) спиртом за наявності каталізатора (лугу), внаслідок чого утворюються складні ефіри, а також гліцеролова фаза. Матеріальний баланс реакції одержання біодизельного палива такий: для одержання 1000 кг (1136 л) продукту потрібно 50 кВт   теплової енергії  і 25  кВт   електроенергії, 1040 кг (1143 л) ріпакової олії, 144 кг (114 л) 99,8%-го метанолу, 19 кг гідрооксиду калію (88% КОН), 6 кг допоміжного фільтруючого матеріалу, 105 кг води. При цьому, крім біодизелю, виходить близько 200 кг сирого гліцерину і 117 кг води. Біодизельне паливо можна використовувати в будь-яких дизельних двигунах (вихрокамерних і передкамерних, а також із безпосереднім упорскуванням) як самостійно (в адаптованих двигунах), так і в суміші з дизельним паливом без змін у конструкції двигуна.
Відповідно до “Програми розвитку виробництва біодизельного палива на період до 2010 р.”, Україна повинна виробляти і споживати в 2010 р. понад 520 тис. т біодизельного палива, для цього треба буде забезпечити валовий збір насіння ріпаку на рівні 1,7–1,8 млн т. За врожайності ріпаку в середньому 20 ц/га потрібно засіяти 0,85–0,9 млн га ріллі, що становить близько 3% загальної площі (33,8 млн га) орних земель України. Заміна частини дизельного палива (1870 тис. т/рік — стільки нині використовує АПК України) на РМЕ дасть змогу забезпечити сільськогосподарську техніку бінарним біопаливом раціонального складу: 30% біодизельного + 70% ДП.
Про вартість біодизельного палива. У країнах Євросоюзу виробництво біодизелю має істотну державну підтримку. У Німеччині біопаливо не обкладають “мінеральними” й “екологічними” податками, існує система дотування вирощування ріпаку; у Франції податкова знижка становить 0,35 євро/літр; в Іспанії автомобілістам, які використовують біопаливо, дозволено безплатне внутріміське паркування. У цілому по Європі 1 літр біодизелю на 0,10–0,15 євро дешевший за літр мінерального ДП. В Україні, за різними даними, собівартість 1 літра біодизельного палива — від 2,2 до 3,0 грн. Його вартість залежить від низки факторів: урожайність ріпаку, ефективність використання соломи й шроту, вартість хімічних інгредієнтів — метанолу й лугу, глибина переробки гліцеринової води, якість технологічного процесу одержання біодизелю.
А тепер розглянемо фізико-хімічні показники РМЕ й еколого-експлуатаційні характеристики дизелів у разі їхньої роботи на біопаливі. У деяких іноземних виданнях було опубліковано інформацію про те, що під час порівняльних випробувань дизелів на дизельному й біодизельному паливі не було зафіксовано жодних істотних розбіжностей у роботі двигуна в разі зміни виду палива. Це пояснюється високою якістю випробовуваного біопалива, яка стала можливою завдяки високим вимогам до показників, закладених у національних стандартах на біодизельне паливо. Тому, як зазначалося вище, для успішного просування біодизелю в АПК України потрібно розробити й затвердити державні стандарти на біодизель і його бінарні суміші з дизельним паливом. Перші кроки в цьому напрямі зроблено в НТУ “Харківський політехнічний інститут”.
У таблиці наведено європейські стандарти 14214:2003 на біодизель і ДСТУ 3868–99 на дизельне паливо. Як бачимо, 12 показників EN 14214:2003 можна (на першому етапі розробки державної нормативної документації на біодизельне паливо) визначати методами випробувань, наведеними в ДСТУ 3868–99. Для визначення решти показників використовують стандарти EN і ISO, апаратне забезпечення і методологічний зміст яких треба адаптувати до приладів і методик, що їх використовують у науково-дослідних установах України.
Коротенько розглянемо вплив деяких фізико-хімічних показників біодизельного палива, визначених стандартом EN 14214:2003, на параметри дизеля і його еколого-експлуатаційні характеристики. Підвищення, порівняно з дизельним паливом, густини на 10% і кінематичної в’язкості в 1,5 раза сприяють деякому збільшенню (на 14%) далекобійності паливного факела й діаметра крапель розпиленого палива, що може призвести до збільшення попадання РМЕ на стінки камери згоряння й гільзи циліндра. Менші значення коефіцієнта стискання біодизельного палива спричинюють збільшення дійсного кута випередження упорскування палива й максимального тиску у форсунці. Високе цетанове число біодизелю — 51 і більше — сприяє скороченню періоду затримки спалахування й пом’якшує роботу дизеля. Підвищена майже втричі температура спалаху біодизельного палива в закритому тиглі (120 °С і більше) забезпечує високу пожежобезпечність. Кисень (»10%) у молекулі метилового ефіру діє за такими напрямами: наявність окислювача безпосередньо в молекулі палива дає можливість інтенсифікувати процес згоряння й забезпечити вищу температуру в циліндрі дизеля, що, з одного боку, сприяє підвищенню індикаторного й ефективного ККД  двигуна, а з другого, — спричинює незначне збільшення оксиду азоту NOx у відпрацьованих газах. Менша частка вуглецю (»77%) у молекулі біодизельного палива призводить до зменшення його нижчої теплоти згоряння на 13–15% і збільшення витрат палива — почасової й питомої ефективної. Для збереження номінальних параметрів двигуна в разі переведення на РМЕ потрібно перерегулювати паливну апаратуру (упор рейки паливного насоса високого тиску перевстановити на збільшення циклової подачі палива). Застосування біодизелю забезпечує зниження викидів шкідливих речовин із відпрацьованими газами. Для дизельних двигунів із вихровою камерою (передкамерою) і безпосереднім упорскуванням зниження, відповідно, становить: СО — 12 (10)%, СnНm — 35 (10)%, РМ (тверді частки) — 36 (24)%, сажа — 50 (52)%. Деяке збільшення викидів NOx можна компенсувати низкою заходів: зменшенням дійсного кута випередження упорскування палива, рециркуляцією відпрацьованих газів, подачею води на впусканні.
Під час експлуатації дизельних двигунів на біодизельному паливі треба звернути увагу на таке. Перед початком експлуатації двигуна на біодизельному паливі потрібно промити фільтр грубого й тонкого очищення палива. Через підвищену агресивність такого палива слід замінити паливні шланги й прокладки на ті, що виготовлені зі стійкого до біопалива матеріалу, а також ретельно видалити біодизельне паливо, що потрапило на лакофарбові покриття. У деяких випадках потрібна частіша заміна моторної оливи, аби убезпечити її від можливого розрідження внаслідок потрапляння біодизельного палива. Можливе деяке збільшення рівня шуму й димності в разі холодного запуску. За знижених температур краще застосувати депресорні присадки. Потрібно контролювати вміст води в біодизельному паливі (через його велику гігроскопічність), щоб уникнути небезпеки розвитку мікроорганізмів, утворення перекисів і корозійного впливу води, в тому числі і на елементи паливної апаратури.
Таким чином, виробництво й застосування біодизельного палива в Україні дасть можливість радикально розв’язати еколого-енергетичні проблеми економіки нашої держави.

В. Семенов,
доцент, канд. техн. наук,
НТУ “Харківський політехнічний інститут”