Топливо "Экологически чистое топливо Е85 из биоэтанола"



Вячеслав Емельянов,

Елена Никитина,

А.Н. Асяев,

ОАО «ВНИИ НП», Москва


Положение дел в мировой энергетике показывает, что постепенный переход от нефти и природного газа на другие источники энергии уже начался. Это связано с высокими ценами на нефть, желанием защитить окружающую среду и улучшить экологическую обстановку. Сегодня во всём мире растёт интерес к использованию энергии, получаемой из растительного сырья, – биогазу, биоэтанолу и биодизельному топливу.

В развитых странах использование биотоплива рассматривается как возможность сокращения объёмов выбросов парниковых газов в основном в транспортном секторе, а также как важный инструмент диверсификации энергетических ресурсов. Развивающиеся страны видят возможность применения биотоплив как способ стимулирования развития аграрного сектора, а также создания дополнительных рабочих мест. И для тех, и для других использование биотоплива – это способ повышения уровня энергетической безопасности и независимости.

Некоторые страны активно осуществляют программы применения биотоплив, в основном внедряя обязательное их использование в составе традиционного нефтяного топлива. В результате объёмы производства и использования биоэтанола и биодизеля растут высокими темпами.

В Европе производство и применение биотоплив регулируется Директивой 2003/30/ЕС. В результате её выполнения доля возобновляемых источников сырья в производстве топлив в Европе будет возрастать и к 2010 г. составит 5,75 %, а к 2020-му - более 10 %. В течение 15 лет Швеция планирует полностью отказаться от нефтяных моторных топлив и перевести транспорт на альтернативные виды топлива.

Применение спиртов в качестве моторных топлив и высокооктановых добавок известно с начала прошлого века, но их широкое промышленное применение началось в 80 - 90-е годы. Это было обусловлено нефтяным кризисом и возросшими требованиями к экологическим свойствам моторных топлив. Наиболее широкое распространение биоэтанол получил в Бразилии и США, из европейских стран – в Швеции.

Интерес к биоэтанолу в России связан с имеющимися свободными мощностями по его производству. В настоящее время спиртовая отрасль производит из пищевого сырья примерно 680 тыс. т этанола в год, и это количество может быть удвоено, так как мощности предприятий загружены наполовину. В ближайшие годы планируется строительство ещё 20 - 25 предприятий различной мощности. Перспективным источником сырья для получения биоэтанола в России с учётом климатических условий является целлюлозосодержащее сырьё. В настоящее время в стране бездействуют около 12 гидролизных заводов.

Высокая детонационная стойкость, низкая токсичность, возможность производства из возобновляемых источников сырья - всё это делает этанол более привлекательным по сравнению с другими оксигенатами. Повышенная гигроскопичность, коррозионная агрессивность этанола и ряд других особенностей ограничивают его использование в составе топлив.

Работы, проведённые в России и за рубежом, показали, что проблемы, связанные с применением 5 - 10 % этанола в автомобильном бензине, могут быть успешно решены, например, за счёт применения присадок различного назначения.

В США, Бразилии и других странах кроме бензинов, содержащих 5 - 10 % биоэтанола («Газохолы»), также применяются топлива с содержанием 70 % спирта и выше.

В последние годы более популярным становится топливо Е85, содержащее 75 - 85 % биоэтанола и 25 - 15 % бензина. Это обусловлено государственной поддержкой биотопливных технологий во многих странах, вследствие чего Е85 в среднем на 15 - 20 % дешевле стандартного бензина. Топливо Е85 намного экологичнее бензина, имеет высокую детонационную стойкость и обладает сильнейшим «компрессорным» эффектом. При испарении этанола топливовоздушная смесь сильно охлаждается, улучшая наполнение цилиндров, повышая мощность и крутящий момент двигателя. Также топливо Е85 более стабильно по сравнению с «Газохолами».

Однако применение топлива Е85 требует серьёзной переделки двигателя. Это связано с низкой теплотой сгорания и высокой теплотой испарения этилового спирта, что приводит к увеличению расхода топлива и вызывает трудности при запуске двигателя. Доработка обыкновенного двигателя стоит недёшево - от 300 до 1000 евро в зависимости от марки машины. Но автолюбители идут на затраты не только ради последующей экономии на топливе, но и потому, что мощность двигателя, работающего на Е85, возрастает приблизительно на 20 %.

Ведущие зарубежные автомобильные компании – «Volkswagen», «SAAB», «Ford», «Volvo» и другие осуществляют производство автомобилей с гибкой топливной системой (Flexible Fuel Vehicle - FFV), позволяющей использовать в качестве топлива традиционный нефтяной бензин или его смеси с этанолом в любом соотношении, в том числе топливо Е85.

Автомобили с гибкой топливной системой имеют единый топливный бак для любого вида горючего – как для бензина, так и для стопроцентного спирта; оснащены системой автоматической перенастройки и поддержания необходимого соотношения топливо – воздух в зависимости от состава топлива.

Основными недостатками, связанными с применением топлива Е85, являются повышенный расход топлива и недостаточно развитая сеть заправочных станций.

В США топливо Е85 используется достаточно широко. Требования к топливу Е85, применяемому в Америке, определяются ASTM D 5798-07 «Спецификация на этанольное топливо (Ed75-Ed85) для автомобильных двигателей с искровым зажиганием». Показатели ASTM D 5798-07 приведены в таблице 1. В зависимости от сезонных и географических условий применения спецификация предусматривает три класса испаряемости.

Если в Америке топливо Е85 применяется широко, то в Европе только начата работа по его использованию. Разработан проект спецификации «Автомобильные топлива - Этанол Е85 - Технические требования и методы испытания» CWA 15293:2005 (соглашение рабочей группы европейского комитета по стандартизации), требования которого приведены в таблице 2. Для обеспечения технических требований по приемистости автомобиля с учётом европейских сезонных и географических условий, в отличие от ASTM, европейский проект предусматривает два класса испаряемости.

В ASTM D 5798-07 отсутствуют требования к октановому числу, в CWA 15293:2005 определена норма по детонационной стойкости: ОЧМ – не менее 85,0 и ОЧИ – не менее 95,0. Содержание этанола в топливе в зависимости от класса испаряемости в США составляет не менее 70 - 79 %, в Европе – не менее 70 - 75 %. Для улучшения низкотемпературного запуска и повышения приёмистости двигателя к спирту добавляются углеводороды. Американская спецификация не регламентирует состав углеводородов, вводимых в денатурированный топливный этанол. CWA 15293:2005, в отличие от ASTM D 5798-07, в качестве углеводородной фазы допускает применение только премиальных сортов неэтилированного бензина в соответствии с EN 228. Европейская спецификация, как и американская, допускает применение присадок, улучшающих эксплуатационные характеристики топлив.


Таблица 1. Требования ASTM D 5798-07 к этанольному топливу (Ed75-Ed85) 

Наименование показателя

Значение

Метод

испытания

класс 1

класс 2

класс 3

Объёмная доля этилового спирта + высших спиртов, %, не менее


79


74


70

ASTM D 4815 или ASTM D 5501

Объёмная доля углеводородов и (или) алифатических эфиров, %

17 - 21

17 - 26

17 - 30

1)

Давление насыщенных паров (ДНП), кПа:

38 - 59

48 - 65

66 - 83

ASTM D 4953 или ASTM D 5190, ASTM D 5191

Массовая доля серы, мг/кг,    не более

210

260

300

ASTM D 1266 или ASTM D 2622, ASTM D 3120, ASTM D 5453

Объёмная доля метилового спирта, %, не более


0,5

ASTM D 4815

Объемная доля высших спиртов  (С3 - С8), %, не более


2

ASTM D 4815

Массовая концентрация кислот, %, не более


0,005

ASTM D 1613

Массовая концентрация смол, промытых растворителем, мг/100 см3, не более



5

ASTM D 381

рН, в пределах

6,5 - 9,0

ASTM D 6423

Массовая концентрация непро- мытых смол, мг/100 см3, не более


20

ASTM D 381

Массовая концентрация неорганических хлоридов, мг/дм3, не более



1

ASTM D 2988

Массовая концентрация меди, мг/дм3, не более


0,07

ASTM D 1688

Массовая концентрация воды, %, не более


1,0

ASTM E 1064

Внешний вид

Чистый, прозрачный

Визуально

*Содержание неэтилированного бензина можно определить как 100 минус сумма объёмных долей воды и спиртов. 


В России также начата работа по разработке и испытаниям топлива Е85. Во ВНИИ НП разрабатывается российский стандарт на топливо Е85, содержащее 75 - 85 % об. денатурированного топливного этанола и 25 - 15 % об. углеводородов. Для уточнения требований к топливу Е85 с учётом российских условий применения необходимо проведение исследований и испытаний по оценке влияния качества спиртов и углеводородных фракций на его эксплуатационные свойства.

Одним из возможных способов применения топливного этанола как моторного топлива является поставка контейнеров (цистерн) со спиртом непосредственно на АЗС, где через специальные топливораздаточные колонки (ТРК) осуществляется заправка автомобилей традиционным бензином, смесью его с этанолом и топливом Е-85 (см. рис. 1).



Таблица 2. Требования CWA 15293:2005 к этанольному топливу «Этанол Е85»

Наименование показателя 

Значение

Метод испытания

класс А

класс В

Октановое число, не менее:

- по моторному методу;

- по исследовательскому методу


85,0

95,0


EN ISO 5163

EN ISO 5164

Объёмная доля этилового спирта      + высших спиртов, %, не менее

75

70

EN 1601 или             EN 13132

Объёмная доля неэтилированного бензина Премиум-95, %

14 - 22

14 - 30

1)

Массовая доля серы, мг/кг, не более

20

EN ISO 20846 или

EN ISO 20884

Индукционный период, мин, не менее

360

EN ISO 7536

Массовая концентрация смол, промытых растворителем, мг/100 см3, не более


5

EN ISO 6246

Внешний вид

Чистый, прозрачный

Визуально

Объёмная доля высших спиртов     (С3 8), %, не более


2,0

EN 1601 или     EN 13132

Объёмная доля метилового спирта, %, не более


1,0

EN 1601 или     EN 13132

Объёмная доля эфиров (С5 и выше), %, не более


5,2

EN 1601 или     EN 13132

Объёмная доля воды, %, не более

0,3

ASTM E 1064

Коррозионное воздействие на медную пластинку (3 ч при 50 оС), единицы по шкале



класс 1

EN ISO 2160

Давление насыщенных паров (ДНП), кПа:

35 - 60

50 - 100

ЕН 13016-1

Температура конца кипения, оС, не выше

210

EN ISO 3405

Объемная доля остатка в колбе, %,    не более


2

EN ISO 3405

Массовая концентрация неорганических хлоридов, мг/дм3, не более


1

ISO 6227

рН, в пределах

6,5 - 9,0

ASTM D 6423

Массовая концентрация кислот, %,    не более


0,005

ASTM D 1613

1) Содержание неэтилированного бензина можно определить как 100 минус сумма объёмных долей воды и спиртов.


Рисунок 1. Принципиальная схема АЗС для использования биоэтанола в качестве моторного топлива




Схема АЗС для использования биоэтанола в качестве моторного топлива позволяет расширить ассортимент автомобильных топлив и сократить затраты на создание инфраструктуры для бензинов, содержащих этанол.

Организация производства топлива Е85 в стране будет способствовать увеличению ресурсов экологически чистых высокооктановых топлив.

Надо отметить, что главным препятствием к применению топливного биоэтанола в России является существующее законодательство по обороту этилового спирта и спиртосодержащих растворов, устанавливающее непомерные акцизы и стоимость лицензий, что делает невозможным его применение не только в качестве топлива, но и в других областях промышленности.

Широкое применение этилового спирта в составе автомобильных бензинов возможно только после принятия соответствующей федеральной программы, предусматривающей координацию действий различных ведомств.

Президентом России было дано поручение подготовить предложения по развитию национальной биоэнергетики. Планируется а также и принять федеральный закон «Об основах развития биоэнергетики в Российской Федерации», а также национальные стандарты, предусматривающие классификацию продуктов биоэнергетики и методы их испытания. Кроме того, должны быть введены дополнения в Налоговый кодекс РФ в части налогообложения акцизами и изменения в федеральный закон «О государственном регулировании производства и оборота этилового спирта, алкогольной и спиртосодержащей продукции». Реализация этих решений послужит началом формирования биоэнергетики России на промышленной основе.