Биэтанол в бензине или что такое спиртовой бензин

Завод по производству биоэтанола в Германии.
Мощность: 240 млн литров. Сырье: рожь, пшеница, ячмень

Биотопливная заправка в США. Цифры возле марки биотоплива (напр. В20) показывают процентное содержание этанола в обычном топливе. Проверки показали, что часто эти проценты не соответствуют нормам, что наносит вред двигателю

Все хорошие вещи в жизни приходят
не поодиночке, а вместе с другими вещами
Чарльз Лэмб

Вопрос смесевых технологий при производстве бензинов давно уже интересует технологов, экологов, энергетиков, автомобилистов и просто любителей всяческих новшеств и современных технологий. Несмотря на множество позитивных моментов, так же как и на наличие определенных недостатков, однозначности в выводах пока еще не присутствует, что оставляет обширные пространства для размышлений и убеждений, похвалы и критики.

Несмотря на это, в ООН считают, что развитие рынка экологически чистого топлива (в том числе и смесевого) является одной из первоочередных задач мирового сообщества. Многие мировые державы взяли курс на активное внедрение биотоплив в автомобилестроение. Так, соответственно стратегии развития Европейского Союза, к 2010 г. в Европе 5,75% потребности в топливе для двигателей внутреннего сгорания будут покрываться продукцией на биогенной основе; к 2017 году поставки биотоплив в США должны составить 100 млн. т; а в Бразилии долю биотоплив в суммарном потреблении топлив планируется поднять до 5% в 2013 г.

Но все это лишь голые цифры, оставляющие в тени понимание и анализ. Для объективного восприятия определенного процесса или явления стоит вначале разобраться с самой проблематикой, подковаться теоретически, понять причины, вызвавшие его появление, историю развития, превосходства и недостатки, реалии и перспективы. Таким образом, целью написания этой обзорной статьи была систематизация и структуризация накопленных знаний относительно темы смесевых биоэтаноловых бензинов. Выводы делайте сами, опираясь на прочтенные аргументы и свои внутренние убеждения.

Для начала более детально ознакомимся с основными действующими лицами:

Бензин (франц. benzine, от лат. benzoe — ароматический сок) — смесь углеводородов различного строения, которая получается в процессе переработки нефти и используется в качестве растворителя или горючего с низкими детонационными характеристиками.

Бензиновая фракция является самой легкой из жидких фракций нефти. Ее получают в ходе разных процессов возгонки нефти. Поэтому от фракционного состава бензинов зависят легкость и надежность пуска двигателя, полнота сгорания, длительность прогрева, приемистость автомобиля и интенсивность износа деталей двигателя. К основным качественным показателям моторных бензинов можно отнести: испаряемость и смесеобразование; коррозионную активность; склонность к неуправляемому воспламенению (калильное зажигание); детонационная стойкость (октановое число); нейтральность по отношению к окружающей среде; нагарообразование и склонность к отложениям; химическую стабильность (индукционный период); токсичность и др. Улучшить некоторые из них (особенно октановое число и безопасность для человека и природы) стараются с помощью различных добавок, в том числе и биоэтанола.

Биоэтанол (от греч. βίος — жизнь и этанол) — по сути, обычный этиловый спирт, а приставка био- как бы подчеркивает его происхождение из растительной сырьевой базы и щадящее отношение к природе и человеку.

Смесевые бензины (моторные) — это бензины, для повышения октанового числа и экологической безопасности которых были использованы добавки биоэтанола.

Термин, примененный сотрудниками Украинского научно-исследовательского института нефтеперерабатывающей промышленности «МАСМА» при разработке ДСТУ 320.001.49943.015-2000 для марок А-80-Ек, А-92-Ек, А-95-Ек, А-98-Ек с добавками биоэтанола.

Сразу хочется отметить то, что любой бензин является в той или иной мере смесевым, ведь в его производстве так или иначе используются присадки (вещества, добавляемые в количествах 0,05-0,1% к топливам, минеральным и синтетическим маслам для улучшения их эксплуатационных свойств): различные антидетонаторы, антиокислители, ингибиторы коррозии и др. Так что, если Вы встретите человека, который будет с неистовством критиковать идею смесевого бензина в любом ее проявлении, можете смело усомниться в компетентности этих высказываний!

Детонацией называют такой характер горения, при котором воспламенение горючей смеси происходит в нескольких точках цилиндра или по всему объему сразу

Первый двигатель, работающий на этаноле и скипидаре, был изобретен и запатентован еще в далеком 1826 году Самуэлем Мори (1762-1843). С тех пор этанол начал постепенно завоевывать мировой рынок топлива. Хотя длительное время потребление классического нефтяного топлива в автотранспортных средствах занимало лидирующую позицию в связи с тем, что крупные нефтяные и автомобильные компании создали барьер на пути проникновения новой конкурентоспособной промышленности. Такое положение дел продолжалось до нефтяного кризиса начала 1970-х годов, который поспособствовал использованию этилового спирта в качестве добавки к бензину.

Одним из важных свойств бензина есть его октановое число (детонационная стойкость). Чем оно выше, тем лучше. Так, октановое число бензина после первичной перегонки нефти обычно не превышает 70. Именно повышением этого числа и заняты специалисты в области смесевых топливных технологий.

Кроме того, ужасающими темпами прогрессирует негативное влияние бензиновых выхлопов на экологию и здоровье человека, что также пытаются исправить с помощью внедрения биоэтанола. Так, на сегодняшний день автомобильный транспорт выделяет в воздух около 30% всех загрязнений, а в городах эта цифра доходит до 80%. Применение этанола в смеси с бензином помогает снизить выделение угарного газа, который в 20% случаев вызывает образование смога. Хотя в процессе эксплуатации подобных двигателей и происходит выделение CO2 в атмосферу, он в достаточной мере поглощается в процессе роста биомассы, что фактически дополняет углеродный цикл круговорота веществ в природе. Добавка 10% биотоплив к традиционным моторным топливам уменьшает содержание вредных веществ в выхлопах автомобилей на 30%.

Но тернистый путь модернизации бензина был не без проб и ошибок. «Первым скомканным блином» в поиске эффективных добавок к бензину стало применение соединений свинца: тетраэтилсвинца (ТЭС) или тетраметилсвинца (ТМС). Эти соединения увеличивают октановое число бензина, не влияя при этом на другие его свойства, в том числе на давление насыщенного пара. Но ТЭС оказался очень ядовитым химическим соединением, поскольку даже небольшие концентрации его паров могут привести к патологии и летальному исходу. Вследствие такой опасности уже в 60-х годах руководство США и Агентство по защите окружающей среды объявили о постепенном снижении содержания свинца в бензине. С 2000 года в странах — членах Европейского Союза бензины, содержащие свинец, не используются вообще.

Следующим этапом стало применение оксигенатов — полностью сгораемых кислородосодержащих добавок, к которым относятся некоторые эфиры и спирты. Эти добавки повышают октановые характеристики топлив, регулируют их испаряемость. При этом в бензине растет содержание кислорода, способствующего дожигу оксида углерода в диоксид. К ним относится и этанол.

Главным конкурентом биоэтанола был еще один оксигенат — метилтретбутиловый эфир (МТБЭ), который превалировал на топливных рынках США. Так, в Штатах с целью улучшения экологической ситуации в мегаполисах и в штате Калифорния стал выпускаться специальный вид бензина (реформулированный бензин), содержащий добавки 5-15% МТБЭ. В период с 1992 г. по 2001 г. потребление МТБЭ в США возросло с 4,0 до 10,5 млн. т. Однако скоро выяснилась токсичность этого соединения, что не позволило ему длительно удерживать доминирующие позиции. Было обнаружено, что МТБЭ разлагается с выделением метанола, и его попадание в грунтовые воды может поставить под угрозу эффективное обеспечение населения водой. Вскоре противостояние биоэтанола и МТБЭ изменило свой вектор в кардинальном направлении: теперь на первый план безоговорочно вышел биоэтанол, что было утверждено законодательством США. По данным Ассоциации возобновляемого топлива, около 900 000 американских фермеров являются членами кооперативов по производству этанола.

Результатом таких реформ стал выпуск порядка 20 000 автомобилей, потребляющих бензин с примесью 85% этанола. На 2007 год около 3 миллионов таких автотранспортных средств находилось в эксплуатации. Многие известные автомобилестроители — такие, как «Ford», «General Motors» и «Daimler-Chrysler» — создают сотни тысяч автотранспортных средств, работающих как на обычном бензине, так и на бензине с примесью до 85% об. этанола. В этом же, 2007 году, производители или продавцы топлива, работающие в странах ЕС, обязаны были добавлять (blending-fuel) в бензины до 5% этанола (Директива 98/70/ЕС о качестве моторного топлива), что лишний раз подчеркивает актуальность и значимость данного направления в глазах мировой общественности.

Основными преимуществами биоэтанола перед конкурентами являются: высокая антидетонационная стойкость; улучшение процесса горения бензина (в связи с наличием кислорода в молекуле); полнота сгорания топлива и отсутствие токсичных и канцерогенных продуктов горения. Также облегчает его использование и простота получения этанола. Спирт научились делать из различного сырья с минимальными затратами.

Правда, существуют и незначительные недостатки спиртового топлива, в том числе: легколетучесть однородной жидкости; влияние на фракционный состав бензина; низкая теплота сгорания. Но это все мелочи по сравнению с его неоспоримыми достоинствами. Также следует упомянуть и о таком минусе, как гигроскопичность (довольно легкое смешивание с водой), благодаря которой смесь биоэтанола с бензином при наличии воды расслаивается. При правильном приготовлении и использовании смесевого топлива этот фактор также не доставит хлопот. Так, добавка стабилизаторов препятствует расслоению спиртосодержащего бензина до температуры -40 — -23°С. Хорошим и при этом дешевым стабилизатором являются сивушные масла, обеспечивающие гомогенность топлива при температуре выше -25°С.

Еще одним спорным моментом использования биоэтанолового топлива являются высказывания некоторых ученых относительно возможного негативного влияния продуктов горения смесевого бензина на парниковый эффект. Якобы при использовании этого топлива выбросы газов в атмосферу за следующие 30 лет удвоятся.

В противовес их пессимизму можно выставить такие доводы:

1) выделяющийся в атмосферу при эксплуатации подобных двигателей CO2 в достаточной мере поглощается растущей зеленой биомассой, дополняя углеродный цикл круговорота веществ в природе;

2) явление парникового эффекта и сопутствующие погодные катаклизмы, по мнению некоторых специалистов, могут быть вызваны не столько антропогенным (человеческим) фактором, сколько природными процессами смены магнитных полюсов Земли, которые неоднократно имели место в истории нашей планеты.

Единственный аргумент, который объективно препятствует безоговорочному лидированию смесевого топлива — это то, что оно несколько дороже своих классических аналогов. В частности, в США цены на автобензин в 2007 г. были на уровне 39 ц/л, биоэтанол — 66 ц/л, поэтому 1 л смесевого бензина (с 10% биоэтанола) стоил с учетом смешения почти на 18% дороже. Новые разработки, в том числе и в области промышленных биотехнологий, безусловно решат эту проблему в пользу смесевых биоэтаноловых бензинов.

Аргументов, которые способствуют внедрению этого топлива в производства, чуть больше: 1) спрос на потребление энергоресурсов в мире стремительно растет (по прогнозам одной из крупнейших мировых нефтегазовых компаний British Petroleum, прирост спроса на энергоресурсы к 2030 г. составит 50% в сравнении с уровнем 2005 года); 2) мировые запасы нефти и газа все быстрее сокращаются, оставляя для эксплуатации месторождения, зачастую отличающиеся сложными геолого-экономическими условиями и отдаленностью от мест потребления; 3) экологическая ситуация планеты ухудшается головокружительными темпами (во многом из-за бензиновых выхлопов), что крайне негативно отображается на здоровье людей и других живых организмов.