Как работает биодизель

Транспортные средства на альтернативном топливе Фотогалерея Фото предоставлено Nebraska Soybean Board Автобус, работающий на соевом биодизеле. Смотрите фотографии автомобилей на альтернативном топливе .

Если вы в последнее время читали или смотрели новости, вы, вероятно, наткнулись на какую-нибудь статью, фрагмент или звуковой фрагмент, связанный с нефтью и ценами на нефть . Даже в ваших повседневных делах велика вероятность того, что кто-то упомянет об этом. Будь то автомобилестроение , экономика, история, география или политика, нефти удалось проникнуть почти во все аспекты нашей повседневной жизни. Это один из самых обсуждаемых (и противоречивых) товаров, на который потребители полагаются ежедневно.

Все эти разговоры о нефти вызывают постоянный интерес к бензиновым альтернативам . О таких вещах, как электромобили и водородные топливные элементы , говорят как о реальных альтернативах нефти. По мере совершенствования технологий эти концепции могут стать реальностью. Но что насчет сейчас?

В этой смеси теряется биотопливо , топливо, изготовленное из биологических ингредиентов вместо ископаемого топлива. Эти исходные ингредиенты могут варьироваться от кукурузы до соевых бобов и животного жира, в зависимости от типа производимого топлива и метода производства.

В этой статье мы более подробно рассмотрим биодизельное топливо , одно из основных видов биотоплива. Для начала было бы неплохо проверить, как работают автомобильные двигатели и как работают дизельные двигатели , чтобы получить некоторую информацию. После этого вернитесь назад, и мы отделим факты о биодизеле от вымысла.

Вообще говоря, биодизельное топливо является альтернативой или добавкой к стандартному дизельному топливу, которое производится из биологических ингредиентов вместо нефти (или сырой нефти). Биодизель обычно производится из растительных масел или животных жиров путем ряда химических реакций. Он нетоксичен и возобновляем . Поскольку биодизель в основном получают из растений и животных, его источники можно пополнять за счет выращивания и переработки.

Биодизель безопасен и может использоваться в дизельных двигателях практически без модификации. Хотя биодизель можно использовать в чистом виде, его обычно смешивают со стандартным дизельным топливом . Смеси обозначаются аббревиатурой Bxx , где xx — процентное содержание биодизеля в смеси. Например, наиболее распространенной смесью является B20 , или 20-процентное биодизельное топливо до 80-процентного стандартного. Итак, B100 относится к чистому биодизелю.

Фото любезно предоставлено Министерством энергетики США.
Биотопливо, такое как этанол из кукурузы и биодизель из соевых бобов, помогает поддерживать американское сельское хозяйство.

Однако биодизель — это не просто универсальный термин. Существует также формальное техническое определение, признанное ASTM International (ранее известное как Американское общество испытаний и материалов), организацией, ответственной за разработку отраслевых стандартов. Согласно Национальному совету по биодизелю (NBB), техническое определение биодизеля выглядит следующим образом:

топливо, состоящее из моноалкиловых эфиров длинноцепочечных жирных кислот, полученных из растительных масел или животных жиров, обозначаемое B100 и отвечающее требованиям ASTM D 6751.

Звучит грубо, но это гораздо более знакомо, чем вы думаете, — вы сталкиваетесь с этими жирными кислотами каждый день. Мы рассмотрим их более подробно в следующем разделе.

1. Жиры и биодизель
2. История биотоплива
3. Плюсы
4. Минусы

Фото любезно предоставлено Национальным советом по биодизелю Соевые бобы можно превратить в биодизель.

Часть того, что делает биодизель таким привлекательным и интересным, заключается в том, что его можно производить из многочисленных природных источников. Хотя можно использовать животный жир, растительное масло является крупнейшим источником биодизеля. Вы, наверное, использовали некоторые из них на кухне. Ученые и инженеры могут использовать масла из знакомых культур, таких как соя, рапс, рапс, пальма, семена хлопка, подсолнечник и арахис, для производства биодизеля. Биодизель можно производить даже из переработанного кулинарного жира!

Общим для всех источников биодизеля является то, что все они содержат жир в той или иной форме. Масла — это просто жиры, находящиеся в жидком состоянии при комнатной температуре. Эти жиры или триацилглицеролы (иногда называемые триглицеридами) состоят из атомов углерода, водорода и кислорода, связанных вместе и расположенных в определенном порядке. Эти триацилглицеролы довольно распространены. В дополнение к бытовым растительным маслам они также входят в состав обычных вещей, таких как масло и сало. Возможно, вы видели количество триглицеридов в списке, если вы были у врача и делали анализ крови.

Один из способов визуализировать эти триацилглицерины — представить себе заглавную букву «Е». Формирование вертикальной основы этого E представляет собой молекулу, известную как глицерин. Глицерин является распространенным ингредиентом, используемым в производстве таких вещей, как мыло, фармацевтические препараты и косметика. К этому глицериновому остову прикреплены три длинные цепи, состоящие из углерода, водорода и кислорода, образующие горизонтальные элементы буквы Е. Они называются жирными кислотами.

ЧЧЧЧ 
  \ / | \ / 
   C-----------C-----------C 
   | | | 
   ООО 
    \ \ \ 
     C=OC=OC=O 
     | | | 
   ХЧ ХХ ХХ 
     | | | 
   ХЧ ХХ ХХ 
     | | | 
   ХЧ ХХ ХХ 
     | | | 
   ХЧ ХХ ХХ 
     | | | 
   ХЧ ХХ ХХ 
     | | | 
   ХЧ ХХ ХХ
     | | | 
   ХЧ ХХ ХХ 
     | | | 
   ХЧ ХХ ХХ 
     | | | 
   ХЧ ХХ ХХ 
     | | | 
   ХЧ ХХ ХХ 
     | | | 
   ХЧ ХХ ХХ 
     | | | 
   ХЧ ХХ ХХ 
     | | | 
   ХЧ ХХ ХХ 
     | | | 
   ХЧ ХХ ХХ 
     | | | 
   ХЧ ХХ ХХ 
     | | |
   ХЧ ХХ ХХ 
     | | | 
   ХЧ ХХ ХХ 
     | | | 
     ЧЧЧ

Так как же эти триацилглицеролы попадают в машину, грузовик или лодку? Биодизель — это не чистое растительное масло. Хотя в прошлом сырое растительное масло использовалось для топлива дизельных двигателей, оно обычно вызывало проблемы. Сырой жир или масло должны сначала пройти ряд химических реакций, чтобы стать топливом. Существует несколько различных способов производства биодизеля, но большинство производственных предприятий производят промышленное биодизельное топливо с помощью процесса, называемого переэтерификацией .. В этом процессе жир или масло сначала очищают, а затем реагируют со спиртом, обычно метанолом (CH3OH) или этанолом (CH3CH2OH), в присутствии катализатора, такого как гидроксид калия (KOH) или гидроксид натрия (NaOH). Когда это происходит, триацилглицерин превращается в сложные эфиры и глицерин. Оставшиеся эфиры — это то, что мы называем биодизелем.

Это старые новости? В следующем разделе мы рассмотрим историю и мотивацию движения за биотопливо.

Фото любезно предоставлено Бобом Алланом В настоящее время биодизельное топливо в США производится в основном из масла из соевых бобов, таких как эти, или из переработанного масла для приготовления пищи в ресторанах.

Концепция биотоплива на удивление стара. Рудольф Дизель , чье изобретение теперь носит его имя, предполагал использовать растительное масло в качестве источника топлива для своего двигателя. Фактически, большая часть его ранних работ была связана с использованием биотоплива. Например, в 1900 году на Всемирной выставке в Париже, Франция , Дизель продемонстрировал свой двигатель, запустив его на арахисовом масле. Точно так же Генри Форд ожидал, что его модель Т будет работать на этаноле, продукте из кукурузы. В конце концов, как в случае с Дизелем, так и в случае с Фордом, на сцену вышла нефть, которая оказалась наиболее логичным источником топлива. Среди прочего, это основывалось на предложении, цене и эффективности. Хотя это не было обычной практикой, растительные масла также использовались в качестве дизельного топлива в 1930-х и 1940-х годах.

Именно в 1970-х и 1980-х годах в Соединенных Штатах была пересмотрена идея использования биотоплива. Одно из самых важных событий произошло в 1970 году, когда Агентство по охране окружающей среды (EPA) приняло Закон о чистом воздухе . Это позволило Агентству по охране окружающей среды более строго регулировать стандарты выбросов загрязняющих веществ, таких как двуокись серы, окись углерода, озон и оксиды азота (NOx). Это подготовило почву для разработки более чистого топлива. Это также устанавливает стандарты для присадок к топливу.

События за рубежом, такие как арабское эмбарго на нефть в 1973–1974 годах и иранская революция 1978–1979 годов, в сочетании с сокращением добычи нефти внутри страны, способствовали росту цен. По данным Управления энергетической информации Министерства энергетики США, импорт сырой нефти в США сократился на 30% во время эмбарго, а «мировая цена на сырую нефть подскочила примерно с 14 долларов за баррель в начале 1979 года до более чем 35 долларов за баррель в начале 1979 года. Январь 1981 года до стабилизации. Цены не падали заметно до 1983 года, когда мировая цена стабилизировалась между 28 и 29 долларами за баррель».

С ростом цен на нефть исследователи начали искать в другом месте. В августе 1982 года в Фарго, Северная Дакота, состоялась первая Международная конференция по растительным и растительным маслам. На этой конференции обсуждались самые разные вопросы, от стоимости топлива и воздействия растительного масла до присадок к топливу и методов экстракции.

В 1990 году в Закон о чистом воздухе были внесены поправки , включившие более строгие ограничения на выбросы транспортных средств. Поправка ввела положения о таких вещах, как повышенное содержание кислорода в бензине (что снижает выбросы угарного газа) и более низкое содержание серы в дизельном топливе.

В 1992 году EPA приняло Закон об энергетической политике , или EPACT. Это было направлено на увеличение количества альтернативного топлива, используемого государственными транспортными средствами США, чтобы уменьшить зависимость от иностранной нефти. Поправка к EPACT 1998 г. включала использование биодизельного топлива в существующих государственных дизельных транспортных средствах в качестве приемлемой альтернативы покупке транспортных средств на альтернативном топливе или ББМ, как это предусмотрено в первоначальном EPACT.

Со всеми этими правилами и нормами понятно, что любая жизнеспособная нефтяная альтернатива вызовет шум. Но биодизель не идеальная замена бензину. Мы рассмотрим его плюсы и минусы в следующих разделах.

• Биодизель экологически безопасен.
• Это может помочь снизить зависимость от иностранной нефти.
• Помогает смазывать сам двигатель, уменьшая его износ.
• Его можно использовать практически на любом дизеле с незначительной модификацией двигателя или без нее.
• Это безопаснее, чем обычное дизельное топливо.

Контроль за выбросами занимает центральное место в споре о биодизеле, особенно в вопросах законодательства. Есть несколько компонентов выбросов, которые особенно вредны и вызывают беспокойство у ученых, законодателей и потребителей. Сера и родственные ей соединения способствуют образованию кислотных дождей; угарный газ является общепризнанным токсином; а углекислый газ способствует парниковому эффекту . Есть также некоторые менее известные соединения, вызывающие озабоченность, такие как полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), кольцеобразные соединения, которые связаны с образованием определенных видов рака. Твердые частицы (ТЧ) оказывают негативное воздействие на здоровье, а несгоревшие углеводороды способствуют образованию смога и озона.

Биодизель снижает вредные выбросы. Из нынешних видов биотоплива только биодизель успешно прошел испытания на выбросы в соответствии с Законом о чистом воздухе.

Кроме того, B100 может снизить выбросы CO2 на 78 процентов и снизить канцерогенные свойства дизельного топлива на 94 процента (Национальный совет по биодизелю, Управление транспортных технологий Министерства энергетики США).

Еще одна особенность биодизеля заключается в том, что он является биоразлагаемым , что означает, что он может разлагаться в результате воздействия природных факторов, таких как бактерии. По данным EPA, биодизель разлагается в четыре раза быстрее, чем обычное дизельное топливо. Таким образом, в случае разлива, очистка будет проще, а последствия не будут такими пугающими. Это справедливо и для биодизельных смесей.

Биодизель может также снизить зависимость США от импортируемой нефти и повысить нашу энергетическую безопасность. Большая часть биодизеля в США производится из соевого масла , которое является основной сельскохозяйственной культурой. При растущем спросе на нефть в США и сокращении мировых поставок возобновляемое топливо, такое как биодизель, при правильном применении может снизить некоторые потребности США в энергии.

Биодизель также способствует смазывающей способности двигателя или легкости его движения. Биодизель действует как растворитель, который помогает ослабить отложения и другие загрязнения внутри двигателя, которые потенциально могут вызвать засорение. Поскольку чистое биодизельное топливо не оставляет собственных отложений, это приводит к увеличению срока службы двигателя . Подсчитано, что биодизельная смесь, содержащая всего 1 процент, может увеличить смазывающую способность топлива на целых 65 процентов (Управление транспортных технологий Министерства энергетики США).

Биодизель также безопаснее. Он нетоксичен (примерно в 10 раз менее токсичен, чем поваренная соль) и имеет более высокую температуру воспламенения , чем обычное дизельное топливо. Поскольку он горит при более высокой температуре, вероятность его случайного возгорания меньше. Это упрощает соблюдение правил перемещения и хранения. Далее мы рассмотрим минусы и будущее биодизеля.

Фото любезно предоставлено Полом Рёсслером .
Микроводоросли, организмы, из которых может быть получено дизельное топливо: микроводоросли, выращенные в американских юго-западных пустынях, однажды могут произвести большое количество липидов для преобразования в биодизельное топливо.

Конечно, ничего не бывает без штрафа, и у биодизеля есть свои недостатки. Некоторые из них связаны с самим топливом, а многие — с более широкой картиной.

Одной из проблем с самим топливом является увеличение NOx в выбросах биодизеля. Часто при производстве дизельного топлива при уменьшении количества твердых частиц в выбросах происходит соответствующее увеличение оксидов азота, которые способствуют образованию смога. Хотя некоторые из этих проблем можно решить, отрегулировав сам двигатель, это не всегда возможно. В настоящее время исследуются технологии для снижения количества NOx в выбросах биодизеля.

Другая проблема связана с поведением биодизеля в качестве растворителя .. Хотя это свойство полезно, оно является палкой о двух концах. Некоторые старые автомобили с дизельным двигателем (например, автомобили, выпущенные до 1992 года) могут забиваться биодизельным топливом в более высоких концентрациях. Из-за своей способности разрыхлять отложения, образовавшиеся в двигателе (которые могут быть там из-за старого дизельного топлива), биодизель может привести к забиванию топливного фильтра вновь освободившимися отложениями. Производители биодизеля предлагают заменить топливный насос вскоре после перехода на высококонцентрированные биодизельные смеси. Компоненты этих старых топливных систем также могут ухудшиться. Помимо отложений в топливной системе, биодизель также разрушает резиновые детали. Некоторые детали старых систем, такие как топливопроводы и уплотнения топливного насоса, могут выйти из строя из-за их резинового или резиноподобного состава. Обычно это лечится заменой таких компонентов. Хотя многие производители включили биодизель в свои гарантии, потенциальные проблемы все же могут существовать. Для получения дополнительной информации о биодизельном топливе и гарантиях на транспортные средства см.Стандарт биодизеля .

Кроме того, в некоторых двигателях может наблюдаться незначительное снижение расхода топлива и мощности . В среднем мощность снижается примерно на 10 процентов. Другими словами, требуется около 1,1 галлона биодизеля, чтобы получить 1 галлон стандартного дизельного топлива.

Основные недостатки биодизеля связаны с более широкой картиной, а именно с рынком и связанной с ним логистикой. Из них наиболее важным является стоимость . По данным EPA, чистое биодизельное топливо (B100) может стоить от 1,95 до 3,00 долларов за галлон, а смеси B20 в среднем на 30-40 центов за галлон дороже, чем стандартное дизельное топливо. Все это зависит от таких переменных, как используемое сырье и рыночные условия.

Другой, возможно, более важный вопрос — это количество и доступность . Хотя биодизельное топливо не обязательно производится во всех 50 штатах, оно может быть доступно во всех из них. Существует три основных способа получения биодизеля, каждый из которых лучше подходит для определенных категорий потребителей. Биодизель можно приобрести непосредственно у поставщика, у дистрибьютора нефти или в общественных заправочных колонках. В настоящее время 19 членов NBB производят и продают биодизельное топливо в Соединенных Штатах. Чтобы узнать, как получить биодизель, свяжитесь с Национальным советом по биодизелю . Кроме того, в Центре данных по альтернативным видам топлива есть функция поиска, позволяющая находить заправочные станции по городам или штатам.

Для получения информации о местонахождении станций биодизеля за пределами США обратитесь в местное агентство биотоплива.

Так сколько мы зарабатываем? Учитывая количество различных производителей (т.е. федеральных, частных, промышленных) и источников сельскохозяйственных культур, трудно определить точную цифру. В настоящее время США производят около 75 миллионов галлонов биодизеля в год ( Национальный совет по биодизелю ). Это производство является гибким и может быть увеличено или уменьшено по мере необходимости.

Независимо от того, привлечет ли биодизель внимание к более ярким технологиям, работа над биодизелем, безусловно, будет продолжаться.

В настоящее время крупнейшим рынком биодизеля являются автопарки. По данным Национального совета по биодизелю, в Соединенных Штатах насчитывается более 100 таких автопарков, использующих биодизель. К ним относятся федеральные и общественные организации, такие как Почтовая служба США , ВВС США , Армия США , НАСА , Министерство энергетики США , Duke Energy и Florida Power & Light . Многие службы общественного транспорта также обращаются к биодизелю, чтобы дополнить использование бензина. Городские автобусы, такие как метро Цинциннати, также используют биодизель. Потенциальные будущие цели включают такие области, как судостроение и сельское хозяйство, а также отопление домов.

По мере роста осведомленности общественности о биодизеле и биотопливе в целом можно будет легко заговорить за обедом. Растет и политическая поддержка, и после принятия такого законодательства, как поправка к EPACT 1998 г., альтернативные источники топлива станут необходимостью в не столь отдаленном будущем.

Для получения дополнительной информации о биодизеле, биотопливе и смежных темах перейдите по ссылкам на следующей странице.

Статьи по Теме

• Уголок викторины: викторина по биодизелю
• Как работают автомобильные двигатели
• Как работают дизельные двигатели
• Как работают каталитические нейтрализаторы
• Как работают дизельные двухтактные двигатели
• Как работает нефтепереработка
• Как работают электромобили
• Как работает водородная экономика
• Как работает бензин
• Как работают гибридные автомобили
• Как работает биодизель из водорослей

Больше отличных ссылок

• Национальный совет по биодизелю
• Министерство энергетики США (DOE)
• Министерство энергетики США по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии
• Центр данных Министерства энергетики США по альтернативным видам топлива
• Управление энергетической информации Министерства энергетики США
• Зеленая планета
• TreeHugger.com