Другая нефть: масло и биодизель

Двигатель на арахисе

В конце XIX века немецкий инженер Рудольф Дизель решил изменить топливную индустрию. Он загорелся идеей создать конкурента паровым двигателям — простой, но эффективный агрегат для фермеров, небольших производств и удаленных городков.

По распространенной легенде, изобретатель сам предложил использовать в качестве топлива растительное масло, чтобы снизить зависимость от поставок ископаемого горючего. На самом деле, вероятно, идея родилась у французских чиновников, которые искали пути сбыта арахиса из своих колоний в Африке. Тем не менее инженер активно ее поддержал.

Первые успешные прототипы 1897 года работали на нефтепродуктах, но уже в 1900 году на Всемирной выставке в Париже один из агрегатов Дизеля функционировал на чистом арахисовом масле. Изобретение выиграло гран-при выставки, а имя немецкого инженера стало нарицательным: «дизельное топливо», «дизельный двигатель» и просто «дизель».

Вскоре стремительное развитие технологий привело к резкому снижению цены на топливо из нефтепродуктов, и наступил «Век нефти», который продолжается по сей день. Однако сегодня интерес к растительному топливу снова стал расти. Самые распространённые причины: истощение легкодоступных нефтяных запасов, стремление разных стран снизить зависимость от поставок топлива и желание уменьшить количество вредных для природы выбросов.

«Использование растительных масел в качестве топлива может казаться незначительным, но со временем такие масла могут стать столь же важны, как сегодня важна нефть», — Рудольф Дизель, 1912.

Почему масло — плохое топливо?

Жиры, из которых состоит растительное масло почти целиком (94-96%), с химической точки зрения называются триглицеридами. Это молекулы, которые состоят из глицерина и трех жирных кислот. В 75% случаев это эфиры пальмитиновой, олеиновой и линолевой кислоты.

Молекула триглицерида громоздкая, крупная, липкая. Поэтому растительное масло такое вязкое. В обычном бензиновом двигателе его использовать нельзя, потому что он рассчитан на лёгкое топливо, и от масла сразу же засорится. Впрочем, даже в дизельных двигателях не советуют использовать неподготовленное масло: оно плохо распыляется, неполностью сгорает и оседает сажей, а это приводит к поломкам.

Дизельный двигатель можно модифицировать. Старым агрегатам порой достаточно добавить систему обогрева, чтобы нагреть масло и сделать его не таким вязким. Новые требуют перехода на систему двух баков: для запуска и остановки двигателя используется обычное дизельное топливо, а при достаточном прогреве (через 1,5-2 километра в пути) он переключается на растительное масло.

Терминология пока не устоялась, поэтому в специализированной литературе «масло-топливо» называют SVO (Straight Vegetable Oil), PPO (Pure Plant Oil) или PVO (Pure Vegetable Oil). Они означают одно и то же — растительное масло, которое можно использовать как топливо без дополнительной химической обработки.

Еще один подход — подмешивание растительного масла к дизельному топливу. К сожалению, как показали исследования, даже при концентрации растительного масла в 1% в двигателе начинает накапливаться осадок. У этой проблемы есть решение: переработка масла в биодизель.

«Алхимия» биотоплива

Биодизель — метиловый или этиловый эфир, который получают из чистых растительных масел, животных жиров и отходов. Например, из масла, на котором готовили во фритюре.

В основе процесса лежит химическая реакция трансэтерификации. Реакция разрушает триглицериды, превращая одну тяжёлую молекулу в три лёгких. Такое масло становится менее вязким, более летучим и лёгким.

Производство биодизеля методом трансэтерификации состоит из нескольких этапов:

Подготовка масла. Если масло для биодизеля берут из фритюра, его нужно хорошенько очистить от остатков картошки и панировки. Для этого сырье фильтруют и прогревают. В масле могут содержаться фосфолипиды из растительных клеток — этих веществ особенно много в клеточных оболочках. В топливе они не нужны, потому что образуют нагар и забивают распылители, нарушая подачу топливной смеси. Их удаляют, добавляя в масло воду или кислоты. Фосфолипиды выпадают в осадок, который потом отделяют в центрифуге.

Ещё в масле после фритюра остаются свободные жирные кислоты (СЖК), которые образовались из-за нагрева. Их превращают в эфиры.

Выбор масла под производство биодизеля зависит от региона. В США чаще всего (44% от всего сырья для биодизеля) используют масло из соевых бобов, в Европе — рапс, а в тропических странах — пальмовое масло.


Трансэтерификация. Очищенное масло смешивают со смесью спирта и вещества-активатора, которое запускает химическую реакцию — катализатора. Процесс идёт в колонных реакторах при нормальном давлении и температуре около 60° С. Смесь постоянно перемешивают на протяжении 1-2 часов. В реакторе происходит вот что:

Жиры реагируют со спиртом в присутствии кислотного или щелочного катализатора (обычно щелочи NaOH или KOH). На место глицерина в триглицеридах встает спирт (метанол или этанол) и получаются новые эфиры, которые и буду сгорать в двигателях, и ненужный глицерин.

Отстаивание. Плотный глицерин оседает на дно, а над ним остается слой биодизеля. Смесь разделяют, и биодизель фильтруют от лишнего глицерина.

Очистка. Биодизель и глицерин по отдельности промывают водой, чтобы удалить остатки катализатора, спирта и побочных продуктов. Затем прогревают, чтобы избавиться от воды. Выделенный спирт после очистки используют повторно.

Из литра масла, примерно 140 мл спирта и нескольких граммов катализатора получается примерно литр биодизеля и 150 г глицерина.

Процесс производства биодизеля из растительных масел очень экологичен: он не требует экстремальных условий и агрессивных соединений опасных для окружающей среды. И все же невозможно заменить все топливо биодизелем.

Недостатки биодизеля

• Высокая стоимость производства по сравнению с ископаемыми видами топлива.

• Технические сложности. Требует наличия дизельного двигателя. В большинстве случаев не подходит для работы в холодных условиях.  

• Относительно короткий срок хранения  — 3-4 месяца, — по сравнению с бензином (один год по ГОСТу).

• Конкуренция за пахотные земли, которая нередко влечет за собой вырубку лесов и уничтожение пастбищ под поля масличных культур.

Преимущества биодизеля

Биодизель — экологичная альтернатива ископаемому топливу, когда его производство не несет дополнительные риски для окружающей среды. При его использовании возникает меньше выбросов CO₂ (примерно на 10%) и продуктов сгорания.

Масличные растения в процессе роста поглощают углекислый газ, а значит, компенсируют выбросы двигателя. Но рассчитать итоговый выброс парникового газа в атмосферу пока невозможно, потому что слишком много факторов играют роль. В частности, нужно учитывать выбросы тракторов на полях и питание оборудования на заводах.

Перспективная растительная альтернатива наземным масличным — водоросли.

Ятрофа ядовитая — кустарник из семейства Молочайные. Его семена несъедобны, но богаты маслом, которое используется для получения биодизеля.

Ещё одно важно преимущество биодизеля — его безопасность. Из-за низкого риска возгорания его проще хранить и перевозить. А ещё при разливе он не представляет такой опасности для окружающей среды, как горючее из нефтепродуктов. Около 98% биодизеля распадается в течение трех недель.

На сегодня самое экологичное сырье для производства биодизеля — отработанное фритюрное масло. Во-первых, оно не требует создания дополнительных полей под «топливные» масличные культуры. Во-вторых, оно производится в огромных количествах. Так известная сеть фастфуда в России ежегодно отправляет на переработку более 5,5 тысячи тонн отработанного фритюрного масла. Полученным биотопливом заправляют морские суда. В-третьих, его по закону нельзя сливать в канализацию из-за риска засоров и вреда для экологии. Поэтому самый экологичный путь утилизации — переработка в биотопливо.