Люди всё чаще спрашивают: «Что такое биодизель?». Об этом говорят за ужином. Это видно в политике. Он повсюду. Нефть контролирует слишком много аспектов нашей жизни. Когда цены резко растут, интерес к альтернативам взлетает. Все хотят сойти с беговой дорожки, привязанной к ископаемому топливу. Электромобили получают заслуженное признание. Водородные топливные элементы вызывают большой ажиотаж. Но биотопливо по-прежнему остаётся в игре.
Эти виды топлива добываются не из-под земли. Они получаются из биологических источников. Отработанное растительное масло. Соя. Животные жиры. Ингредиенты могут различаться. Процесс является химическим. Результатом становится более чистое сгорание.
Нам нужно отбросить маркетинговые уловки. Давайте посмотрим на науку. Как именно это работает в баке?
Биодизель — это возобновляемая, нетоксичная альтернатива нефтяному дизельному топливу, производимая посредством химических реакций с растительными маслами или животными жирами.
Биодизель — это не магия. Это химия. Обычное дизельное топливо производится из сырой нефти. Биодизель производится из возобновляемых ресурсов. Растения и животные восполняют эти источники. Циклы сельского хозяйства. Цепочки переработки отходов. Это замкнутый цикл.
Само топливо безопасно. Оно нетоксично. Оно не отравляет почву, как некоторые разливы нефти. Но безопасность — не единственное преимущество. Важна производительность.
Современные дизельные двигатели хорошо работают на биодизеле. Вам не нужно разбирать свой двигатель, чтобы использовать его. Модификации минимальны. Часто они вообще не требуются.
Смеси являются нормой. Существует чистый биодизель. Он называется B100. Но большинство людей используют смеси. Система обозначается буквой «B», за которой следует число. Это число указывает процентное содержание биотоплива.
B20 является стандартом. Это 20% биодизеля и 80% нефтяного дизеля. Он широко доступен. Он работает в большинстве грузовиков. Для него не требуются новые заправочные сопла.
B100 — это чистое топливо. Оно мощное. Оно чистое. Но оно встречается реже. Хранение становится сложным. Возникают проблемы с холодным пуском. Тем не менее, для энтузиастов это «святой Грааль» биотоплива.
Почему бы не остановиться на 20%? Почему бы не перейти на чистое топливо?
Ответ кроется в инфраструктуре. Смеси заполняют пробел. Они позволяют использовать более чистое топливо, не перестраивая всю цепочку поставок. Они позволяют двигателям работать плавно, пока мы решаем остальные вопросы.
Биодизель — это не просто нишевый интерес. Это практический шаг. Способ снизить зависимость от нестабильных рынков нефти. Способ сжигать то, что действительно выросло.
Но лучше ли он? Или просто другой?
Далее мы подробно рассмотрим технические характеристики. Цифры не врут.
Биодизель — это не просто расплывчатый общий термин. Существует чёткое техническое определение, признанное организацией ASTM International. Это та самая организация, ранее известная как Американское общество по испытанию материалов (American Society for Testing and Materials). Именно она устанавливает отраслевые стандарты. Национальный совет по биодизелю (NBB) чётко цитирует это определение.
Биодизель — это топливо, состоящее из моноалкиловых эфиров жирных кислот с длинной углеродной цепью. Они получаются из растительных масел или животных жиров. Обозначается как B100. Оно должно соответствовать требованиям стандарта ASTM D 6751.
Звучит сложно. Это технический жаргон. Но он более знаком вам, чем кажется. Вы сталкиваетесь с этими жирными кислотами каждый день. Мы рассмотрим их в следующем разделе.
Жиры и биодизель
Привлекательность биодизеля заключается в гибкости его источников. Хотя животные жиры подходят, растительные масла доминируют в сырьевой базе. Вероятно, у вас прямо сейчас на кухне есть несколько из них. Соевое, рапсовое, каноловое, пальмовое, хлопковое, подсолнечное и арахисовое масла — все они являются подходящими кандидатами для переработки. Даже использованный кулинарный жир из местных ресторанов можно повторно использовать.
Объединяющим фактором всех этих источников является жир. Конкретнее, они содержат триацилглицериды (также известные как триглицериды). Эти молекулы состоят из атомов углерода, водорода и кислорода, расположенных в определенной структурной схеме. Они не ограничиваются кулинарным маслом. Сливочное масло и смалец также содержат их. Если вы когда-либо сдавали липидный профиль у врача, вы видели уровень триглицеридов в лабораторном отчете.
Чтобы визуализировать молекулярную структуру, представьте заглавную букву «Е». Вертикальный стержень буквы «Е» — это молекула глицерина. Глицерин является стандартным ингредиентом в мыле, косметике и фармацевтических препаратах. К этому остову присоединены три горизонтальные полосы. Это жирные кислоты, длинные цепи атомов углерода и водорода.
Но сырое растительное масло не попадает напрямую в бак. Хотя ранние дизельные двигатели технически могли работать на сырой нефти, результаты были плачевными. Неочищенный жир вызывает проблемы в эксплуатации. Масло должно пройти химическую модификацию, прежде чем станет жизнеспособным топливом. Большинство промышленных предприятий используют процесс, называемый переэтерификацией.
Вот как работает производство биодизеля. Сначала масло очищается. Затем оно вступает в реакцию со спиртом, обычно метанолом или этанолом. Катализатор, такой как гидроксид калия или гидроксид натрия, ускоряет реакцию. Эта химическая трансформация расщепляет триацилглицерид. Он разделяется на эфиры и глицерин. Эфиры — это то, что мы называем биодизелем. Глицерин является побочным продуктом.
Истоки использования биотоплива
Идея не нова. Рудольф Дизель, в честь которого назван двигатель, изначально envisaged растительное масло как основной источник топлива. Значительная часть его ранних разработок была сосредоточена на биотопливе. На Всемирной выставке 1900 года в Париже Дизель продемонстрировал работу своего двигателя на арахисовом масле. Генри Форд также предвидел, что его Model T будет работать на этаноле, полученном из кукурузы.
Нефть в конечном итоге победила. Она предлагала лучшие цепочки поставок, более низкие цены и более высокую эффективность. Тем не менее, растительные масла использовались ограниченно в 1930-х и 1940-х годах.
1970-е и 1980-е годы вернули эту концепцию в центр внимания в Соединенных Штатах. Закон о чистом воздухе 1970 года наделил Агентство по охране окружающей среды (EPA) полномочиями ужесточать стандарты выбросов. Регуляторы нацелились на диоксид серы, оксид углерода, озон и оксиды азота. Эта нормативная среда требовала более чистого сгорания топлива и новых топливных добавок.
Геополитика сыграла огромную роль. Арабское нефтяное эмбарго 1973–1974 годов и Иранская революция 1978–1979 годов нарушили поставки. Внутреннее производство не успевало за спросом. Импорт сырой нефти США сократился на 30% во время эмбарго. Цены взлетели. Мировая цена на сырую нефть выросла примерно с 14 долларов за баррель в начале 1979 года до более чем 35 долларов к январю 1981 года. Цены стабилизировались только в 1983 году, колеблясь между 28 и 29 долларами за баррель.
Исследователи начали искать альтернативы. В августе 1982 года в Фарго, Северная Дакота, состоялась первая Международная конференция по растительным и овощным маслам. Темы варьировались от стоимости топлива до методов экстракции.
Законодательство продолжало меняться. Поправки к Закону о чистом воздухе 1990 года ввели более строгие правила выбросов транспортных средств. Бензин требовал более высокого содержания кислорода для снижения уровня оксида углерода. Дизельное топливо нуждалось в более низком содержании серы.
Закон о политике в области энергетики (EPACT) 1992 года был направлен на увеличение использования альтернативного топлива в правительственных автопарках. Он стремился снизить зависимость от иностранной нефти. Поправка к EPACT 1998 года уточнила, что существующие правительственные дизельные автомобили могут использовать биодизель. Это было признано приемлемой альтернативой покупке специально предназначенных транспортных средств на альтернативном топливе.
По мере ужесточения регулирования и волатильности цен на нефть альтернативы нефти набирали популярность. Но биодизель не является идеальной заменой бензину или обычному дизельному топливу. Далее мы рассмотрим плюсы и минусы.
Почему биодизель очищает воздух
Экологические преимущества биодизеля — это не просто модные слова. Их можно измерить. Биодизель сгорает чище, чем обычный дизельное топливо на основе нефти. Он разлагается быстрее. Он является возобновляемым ресурсом. Это не незначительные улучшения, а структурные преимущества, имеющие значение при рассмотрении химического состава выхлопных газов.
Законодательство в области выбросов во многом определяет этот интерес. Законодатели обеспокоены соединениями серы. Они вызывают кислотные дожди. Оксид углерода смертельно опасен. Диоксид углерода удерживает тепло. Существуют также менее заметные опасности: полициклические ароматические углеводороды (ПАУ). Эти соединения с кольцевой структурой связаны с раком. Твердые частицы вредят легким. Невоспламенившиеся углеводороды создают смог.
Биодизель снижает эти проблемы.
Это единственное биотопливо, прошедшее тестирование на выбросы в соответствии с Законом о чистом воздухе. Чистый B100 сокращает выбросы диоксида углерода на 78 процентов. Он снижает канцерогенные свойства дизельного топлива на 94 процента. Эти данные получены от Национального совета по биодизелю и Управления транспортных технологий Министерства энергетики США. Такие цифры не появляются случайно. Они являются результатом специфических химических структур метиловых эфиров жирных кислот.
Уборка проще (и безопаснее)
Разливы случаются.
Когда проливается дизельное топливо, оно остается. Оно задерживается в почве и воде. Биодизел разлагается в четыре раза быстрее, чем обычное дизельное топливо. Агентство по охране окружающей среды (EPA) подтверждает это. Природные агенты, такие как бактерии, быстро его перерабатывают. Если вы опрокинете цистерну с биодизелем, уборка будет управляемой. Экологический ущерб будет локализован. Это также относится к смесям.
Существует также фактор безопасности. Биодизел нетоксичен. Он примерно в 10 раз менее токсичен, чем поваренная соль. Его температура вспышки выше. Для воспламенения требуется больше тепла. Это делает хранение более безопасным. Регулирование транспортировки менее строгое. Вам не нужны те же протоколы обращения с опасными материалами для грузовика, перевозящего B20, как для чистого нефтяного дизеля.
Ваш двигатель будет благодарен
Механики знают, что топливо действует как смазка. Низкосернистое нефтяное дизельное топливо удаляет эту смазывающую способность из системы. Оно оставляет контакт металл-по-металу уязвимым. Биодизел решает эту проблему.
Он действует как растворитель. Он размягчает углеродистые отложения и грязь внутри двигателя. Эти отложения могут вызывать засоры. Биодизел удаляет их. Поскольку он не оставляет собственных остатков, двигатель со временем работает чище. Долгосрочный износ снижается.
Вам не нужен 100% биодизел, чтобы ощутить это. Смесь всего 1% увеличивает смазывающую способность топлива до 65%. Управление транспортных технологий Министерства энергетики США подтверждает эту цифру. Меньшее трение означает меньшее выделение тепла. Меньше тепла означает более длительный срок службы компонентов. Топливные насосы-форсунки служат дольше. Уплотнения остаются эластичными.
Снижение зависимости от импорта
Энергетическая безопасность является национальным приоритетом. США импортируют огромное количество своей нефти. Глобальное предложение сжимается. Цены колеблются из-за геополитической нестабильности. Биодизел предлагает альтернативу.
Большая часть биодизеля в США производится из соевого масла. Соя является основной отечественной культурой. Она выращивается в Среднем Западе, в таких штатах, как Иллинойс, Айова и Огайо. Если вы производите топливо локально, вы снижаете зависимость от иностранной нефти. Вы удерживаете капитал внутри внутренней экономики. Это не решает все энергетические проблемы. Но это снижает спрос. Это создает буфер против шоков предложения.
Речь идет не о замене всего дизельного топлива завтра. Речь идет о добавлении слоя устойчивости к существующей инфраструктуре. Вы можете использовать его в почти любом дизельном двигателе с минимальными или без изменений. Оборудование не должно меняться. Меняется топливо.
Преимущества очевидны. Чистый воздух. Более безопасное обращение. Лучшая смазка двигателя. Внутреннее производство. Тем не менее, существуют препятствия. Производительность в холодную погоду. Совместимость материалов со старыми уплотнениями. Логистика цепочки поставок.
Недостатки и будущее
Биодизель — не панацея. У него есть свои недостатки.
Да, вы получаете более чистые выхлопы по части твердых частиц. Но компромиссы бьют в неожиданных местах. Некоторые проблемы кроются в химии самого топлива, другие проистекают из сложной реальности цепочек поставок.
Проблема с NOx
Вот первая головная боль: оксиды азота.
Когда производители дизельных двигателей очищают выхлоп от твердых частиц, уровень выбросов NOx часто растет. Эти выбросы способствуют образованию смога. Биодизель здесь не исключение.
Часть этой проблемы можно решить путем настройки двигателя. Но для каждого водителя такая настройка не всегда возможна. Исследуются технологии для ограничения этих всплесков NOx. Это постоянная борьба.
Ловушка растворителей
Биодизель действует как растворитель. Это отлично для очистки баков, но ужасно для старых фильтров.
Если вы управляете дизелем, выпущенным до 1992 года, будьте осторожны.
Топливо размывает десятилетия накопившейся грязи в ваших магистралях. Эта взвесь затем перемещается вниз по потоку и забивает топливный фильтр.
Производители предупреждают, что при переходе на высококонцентрированные смеси необходимо немедленно заменить топливный насос. Старые системы не были рассчитаны на такой уровень очищающей способности.
Хуже того, биодизель разрушает резину.
Старые топливные магистрали? Они гниют. Уплотнители? Они растворяются. Вам придется заменить эти резиновые компоненты, иначе вы столкнетесь с утечками. Многие производители теперь включают биодизель в свои гарантии. Это не означает, что детали выдержат.
Удар по мощности и эффективности
Не ожидайте той же отзывчивости педали газа.
Незначительно падает экономичность. Мощность также снижается. В среднем вы теряете около 10 процентов выходной мощности.
Математика проста. Примерно 1,1 галлона биодизеля требуется, чтобы эквивалентная энергия одного галлона обычного дизельного топлива. Вы сжигаете больше топлива, чтобы проехать то же расстояние.
Барьер стоимости
Более широкий контекст — это то место, где биодизель «съедает» деньги.
Стоимость — это основное препятствие. Согласно EPA, чистый B100 стоит от $1,95 до $3,00 за галлон. Смеси B20 стоят примерно на 30–40 центов выше стандартных цен на дизельное топливо.
Сырье и волатильность рынка определяют эти цифры. На одной неделе оно дешевое. На следующей — становится предметом роскоши.
Доступность: лоскутная карта
Вы не найдете биодизель на каждой заправке во всех 50 штатах. Но вы можете найти его везде.
Существует три основных канала:
— Непосредственно от поставщика
— Через нефтепродуктовые дистрибьюторы
— На общественных заправочных колонках
В настоящее время 19 производителей, входящих в NBB, продают биодизель по всей территории США. Если вы находитесь за пределами США, проверьте карты заправок в вашем местном агентстве по биотопливу.
Масштабы производства
Сколько на самом деле производится?
При таком количестве производителей — федеральных, частных, промышленных — трудно назвать одну точную цифру. В настоящее время США производят около 75 миллионов галлонов ежегодно.
Производство гибкое. Оно может масштабироваться вверх или вниз в зависимости от спроса.
Кто на самом деле использует его?
Флотные автомобили доминируют на рынке. По данным Clean Fuels Alliance, более 100 автопарков используют биодизель.
Посмотрите на этот список:
— Почтовая служба США
— ВВС США
— Армия США
— NASA
— Министерство энергетики США
— Duke Energy
— Florida Power & Light
— Городские автобусы Цинциннати
Общественный транспорт также присоединяется. Будущие цели включают морские двигатели, сельскохозяйственную технику и системы отопления для дома.
Политический попутный ветер
Освещение проблемы растет. Биотопливо перемещается из категории нишевых технологий в разряд тем для обсуждения за ужином.
Политическая поддержка вокруг них усиливается. Поправка 1998 года к EPACT заложила прецедент. Альтернативные виды топлива скоро станут необходимостью, а не выбором.
Это постоянный рабочий процесс. Независимо от того, отберет ли он внимание у электромобилей или останется на заднем плане, инфраструктура медленно укрепляется. Двигатель работает. Фильтр засоряется. Стоимость колеблется. Но импульс есть.
