Биоэтанол относится к топливу растительного происхождения и рассматривается как горючее нового поколения. Имеет как преимущества в качестве использования питания для двигателей внутреннего сгорания, так и недостатки, и однозначно требует детального исследования и практического тестирования. Некоторые марки автомобилей выпускают модели, сконструированные только под этот вид горючего, но массового перехода на биоэтанол пока не ожидается.
Биоэтанол
Биоэтанол представляет из себя этиловый спирт, или этанол, выделенный в процессе обработки веществ растительного происхождения. Химическая формула соединения C2H6O либо C2H5OH, это жидкость органического типа, одноатомный спирт. Состав зависит от растительной основы, в её качестве могут выступать:
- сахарный тростник
- кукуруза
- картофель и батат
- сахарная свекла
- маниок и другие клубнеплодные растения
- древесная целлюлоза
- рисовая шелуха
Почти 90% объемов производства биоэтанола сосредоточено в Бразилии и США. Самым перспективным является получение топлива из сахарного тростника (осуществляется преимущественно в Бразилии), в США сосредоточены на получении биогорючего из кукурузы и целлюлозы. При этом доля биоэтанола в реализуемых типах горючего составляет не более 6%. Лидерами использования биотоплива для питания транспортных средств являются Юго-Восточная Азия (Таиланд, Индия), Скандинавия (Дания, Швеция) и Канада, такое горючее активно применяется для питания транспорта общественного назначения.
Преимущества биоэтанола в качестве топлива для автомобилей:
- невысокая цена;
- не является источником газов, задерживающих в атмосфере Земли тепловое излучение; биоэтанол экологичен и не содержит тяжелых примесей – серы, золы и других компонентов, получаемых в топливе на основе нефтяного сырья;
- большие возможности расширения площадей посева; биоэтанол зависим только от климата и достаточной инсоляции посевов; не требуется организовывать добычу полезных ископаемых;
- дешевое и легкое производство, которое может осуществляться круглогодично.
По сравнению с бензином, биотопливо на основе этанола имеет высокое октановое число в 105 единиц, расходуется меньше на тот же отрезок пути. Биоэтанол может питать моторы с высокой степенью сжатия. Также сгорание в ДВС бензина является причиной выхлопов вредных и токсичных веществ в атмосферу, биоэтанол выбрасывает на ¾ меньше соединений углерода через выхлоп, в частности диоксида углерода попадает в окружающую среду меньше почти на треть. Однако биоэтанол обладает меньшей теплотворной способностью и не способен осуществить быстрый запуск моторного узла зимой, как это сделает бензин.
Как правило, биоэтанол практически используется в тандеме с бензином – смешение веществ обеспечивает высокое октановое число и более чистый выхлоп у итогового топлива. Существует две вариации пропорций веществ в финальном горючем:
- С превалированием этанола. Это смесь из 85% топлива растительного происхождения и 15% бензина без тетраэтилсвинца. Двигатель на биоэтаноле такого типа устанавливается на автомобилях Flex-Fuel – только такие машины могут безопасно заправляться смесью с высоким содержанием этанола.
- С превалированием бензина. Это смесь из 90% неэтилированного бензина и 10% биоэтанола. Разбавление бензина этанолом способствует его полному сгоранию. Может использоваться как горючее для сельскохозяйственной техники или лодочных судов. В США такое горючее называется газохол, иногда содержание этанола в смеси достигает и 20%.
Производство биоэтанола
Производство биоэтанола осуществляется из плодов и сельскохозяйственных культур, в составе которых есть сахар. Самый старый способ получения вещества – в результате брожения. Активное задействование сельскохозяйственных культур в других областях промышленности привело к появлению усовершенствованных методов обработки, подходящих для массового выпуска конечного продукта, а брожение становится одним из этапов подготовки сырья.
Современная схема производства биоэтанола выглядит следующим образом:
- Предварительный этап. Разделение собранного сырья на отдельные компоненты – глютен, крахмал и другие. Может быть произведен мокрый помол с разделением зародыша и клетчатки. На данной стадии технологический процесс схож с выделением спирта для пищевых целей.
- Выделенный крахмал преобразуется в этанол, остатки – во фруктозу и сухое вещество. На этой стадии как раз активно задействовано брожение. Химические реакции осуществляются с помощью определенных бактерий и дрожжей.
- Далее крахмал очищается и концентрируется.
- Дистилляция проводится сокращенным методом (задействуется в два раза меньше колонн).
- Из этих же ректификационных колонн выводится лютерная вода в производстве биоэтанола. Само вещество содержит мало воды благодаря высокой концентрации основного вещества – спирта. Однако вывод лютерной воды способствует укреплению химической структуры будущего топлива, а некоторые примеси, образуемые при ее фрагментации, такие как сивушные масла, используются дальше в технологическом производстве.
- Остатки производства задействуются для получения кормов, сивушные масла могут использоваться в производстве алкоголя.
Итак, выпуск этанола, несмотря на сложность некоторых химических реакций, в частности брожения, не затратен и достаточно прост. Кроме того, вода на выходе после крахмалосодержащего производства биоэтанола может использоваться повторно, что обеспечивает дополнительную экономию. Технология производства избавляет от необходимости постоянной очистки сточных вод.
Интересно, что и сама очистка сточных вод является источником биоэтанола. Если процесс осуществляется с помощью специальных микробов типа Q, то на выходе получается готовое экологичное топливо, при этом микробы уничтожают практически все отходы. Получается, что биоэтанол это почти самовозобновляемое топливо при соблюдении технологии очищения веществ.
Обозначенная технология получения биотоплива характерна для стран – экспортеров этого вида горючего. В России существует альтернативный метод обработки растительных компонентов – гидролиз. В процессе химической реакции происходит фрагментация обрабатываемого сырья на новые соединения и воду. Таким образом выделяются сахара C5H10O5 (или моносахариды пятиуглеродной группы) и сахара C6H12O6 (или моносахариды шестиуглеродной группы), которые далее вступают в реакции спиртового брожения.
Применение биоэтанола
Как было обозначено, биоэтанол практически не используется в чистом виде и обычно входит в состав смеси с бензином в различном процентном соотношении. Доля биоэтанола в горючем обозначается в марке продукта – это может быть E10 или E85, с 10% и 85% этанола в составе соответственно.
E10 – биоэтанол, который может использоваться в двигателях внутреннего сгорания, установленных на большинстве автомашин. Современные модели авто выпускаются с расчетом на то, что двигатель может питаться как от стандартного бензина, так и от его смеси с этанолом, особенно это касается транспортных средств европейского выпуска. Более 92% автомашин с инжекторным впрыском в Европе, выпущенных после 1992 года, могут заправляться смесью с биоэтанолом.
Допустимо отклонение содержания доли этанола в итоговом составе – выпускаются также виды горючего Е5 и Е15, последний актуален в период похолоданий.
Более 10 лет прошло с начала активного внедрения биоэтанола на топливные рынки США и Европы, и сейчас уже можно делать конкретные выводы. Первое, к чему пришли техники, - экологичность биотоплива на растительной основе сильно преувеличена. Этанол скорее не оказывает вообще никакого эффекта на углеродистый след в общей перспективе. Да, он не увеличивает количество вредных выбросов, но и уменьшения воздействия на окружающую среду, несмотря на паспортные значения, тоже не наблюдается.
Второе – биотопливо обладает меньшей теплотворностью, что будет особенно заметно при управлении автомобилем, двигатель которого «заточен» под стандартное горючее. В таких моторных узлах энергоэффективность того же E10 может упасть аж на 30% процентов. Путем легких математических расчетов приходим к выводу, что низкая цена биогорючего «компенсируется» тем, что заправляться придется чаще.
Используя этанол в качестве источника питания для двигателя, нужно помнить, что вещество подвержено окислению больше, чем бензин. При контакте с внутренними механизмами – патрубками, магистралями, шлангами – происходит активизация разрушения последних. Вещество особенно опасно для компонентов из пластмассы. Окисляет биогорючее и моторное масло. Окисление элементов, выполненных из металла, вкупе с повышенной способностью спирта поглощать молекулы воды, активизируют коррозийные процессы.
Топливный биоэтанол
E5, E10, E15, E20, E85 – все это марки торговой смеси биоэтанола и бензина. Чистый биоэтанол обозначается литерой E100, однако и здесь есть нюанс – около 3% вещества составляют молекулы H2O. Крупные покупатели продуктов – Япония и Аргентина, где стандартным соотношением этанола к бензину является 5 к 95. В Бразилии предпочитают добавлять 25% горючего растительного происхождения, а в США популярны как E10, так и E85.
Важно отметить, что указанные марки – это выпускаемые в промышленных масштабах смеси, которые невозможно повторить «кустарным» методом так, чтобы машина не пострадала. То есть добавляя этанол в обычный бензин от АИ-92 до АИ-98, минимум, что можно получить – это проблемы с запуском мотора.
Интересно, что в некоторых странах в рамках программ перехода на биогорючее некоторые марки бензина предлагается полностью заменить этанолом. Например, не везде во Франции можно найти бензин, соответствующий АИ-92 – вместо него активно реализуется Е10.
Опасно заливать биоэтанол в топливные баки транспортных средств, не предназначенных для сжигания биотоплива любого типа. Особенно это касается марки Е85. Да, поначалу можно получить впечатляющий эффект, однако он прекратится, как только будут разрушены катализатор и датчик кислорода – сгорая по времени дольше, чем бензин, биотопливо способствует росту отложений на этих элементах. Действительно, в первое время заливка биоэтанола способна снизить расход горючего, но одновременно будет ощутимо снижение мощности мотора. Далее расход будет только расти – а чтобы вернуться к изначальным цифрам, потребуется увеличивать долю биоэтанола в смеси, а это уже гарантированный износ лямбда-зонда.
Максимальный КПД горючее на основе этанола покажет только в самых современных авто, разработанных и выпущенных с учетом того, что заправлять эту машину будут именно биотопливом. Положительную динамику в таких моторных узлах обеспечивает и октановое число свыше 100 пунктов, и вывод мотора на пределы мощности, и сниженная концентрация углеродистых соединений.
Автомобили на биоэтаноле
Если биоэтанол Е10 можно заливать в баки современных моделей легковых автомашин, то с E85 совместимы только моторы так называемых Flex-Fuel. Двигатель внутреннего сгорания данной модели является двухтопливным и сконструирован таким образом, чтобы водитель сам определял процентное соотношение подачи бензина и биоэтанола в рабочую камеру. 85% этанола в смеси сгорания не повредят мотору данной машины. Переключение осуществляется вручную в первых моделях и автоматически – в более молодых. Водитель также может выбрать 0% добавления этанола и совершать поездку на чистом бензине. Конструктивная особенность некоторых модификаций – небольшой топливный бак.
Flex-Fuel активно покупаются в США и Бразилии, третье место в рейтинге популярности занимает Канада. Кроме того, 1/5 часть выпущенных за последние 20 лет автомобилей в Бразилии изначально сконструированы для заправки E10, сегодня показатель приближается к 70%.
Среди фирм – производителей легкового транспорта уделяют большое внимание возможности автомобилю ехать на этаноле Ford и Saab, а также премиальная марка Bentley. Биогорючее стало отличным топливным решением для спорткаров с форсированным моторным узлом благодаря высокому октановому числу и чистому горению. Двигатели спорткаров мощностью более 800 лошадиных сил развивают большую производительность именно на этаноле – разница в КПД при заправке только бензином составит 60 лошадиных сил в пользу биологически чистого горючего.
К программам по переходу на биотопливо активно подключаются страны юго-восточной Азии, включая Китай. Что касается России, то имеются планы некоторых крупных ВИНК по увеличению выпуска горючего растительного происхождения, а пока на рынке представлены модели марки Ford, оборудованные подходящим двигателем, и некоторые отечественные модели, совместимые с типом биотоплива Е5, и очевидно, что модельный ряд производителей будет расширяться.