Растущая озабоченность общества защитой окружающей среды, более строгие требования, регламентирующие содержание вредных компонентов в моторном топливе, а также в выхлопных газах, образующихся при его сгорании, заставляют промышленность разрабатывать альтернативные топлива.

В 1997 г. представители 105 государств подписали в г. Киото протокол [1], направленный на уменьшение выбросов в атмосферу избыточного углекислого газа, образующегося при интенсивном сжигании нефти, угля и ископаемого газа, а также продуктов их переработки.
Моторные топлива при сгорании вносят существенный вклад в нарушение баланса углекислого газа в атмосфере. Кроме того, окислы азота и серы, образующиеся при сгорании моторного топлива, способствуют закислению водоемов, служащих источником воды, необходимой для жизнедеятельности животного и растительного мира. Наконец, твердые частицы, которые представляют собой продукты неполного сгорания прежде всего тяжелых моторных топлив, являются причиной раковых заболеваний у людей и животных.
Использование в составе моторного топлива компонентов, произведенных из возобновляемого сырья, позволяет уменьшить его вредное воздействие на окружающую среду.
В 2001 г. Европейская комиссия предложила директиву [2], которая может заставить государства-участники применять 2% биотоплив во всем моторном топливе, начиная с 2005 г. После этого количество биотоплив предлагается увеличивать на 0.75% ежегодно и использовать 5.75% от общего потребления моторного топлива к 2010 г., а в 2020 г. достигнуть уровня применения биотоплив в 20%. Применение биотоплив направлено в первую очередь на то, чтобы уменьшить поступление избыточного углекислого газа в атмосферу. Однако необходимо помнить, что Европейская комиссия также определила требования по содержанию вредных веществ в выхлопных газах двигателей внутреннего сгорания, а именно SOx, NOx и частиц. В Таблице 1 приведены требования к моторным топливам в перспективе до 2020 г.
 
Таблица 1. Требования ЕС к моторным топливам

К 2010 г. содержание вредных веществ в выхлопных газах должно достигнуть такого уровня, который потребует от производителей моторного топлива весьма значительных инвестиций.
Существующий парк автомобилей, транспортных средств и машин, в которых используются стандартные двигатели, не позволит в установленные Европейской комиссией сроки начать применять моторное топливо полностью состоящее из биокомпонентов. Таким образом, становится очевидным, что в ближайшие годы резко возрастет роль смешанных моторных топлив, часть которых будет изготовлена из нефти, а часть из возобновляемого сырья. В качестве примера таких смешанных моторных топлив можно привести бензино-этанольные смеси, которые применяются в двигателях с искровым зажиганием, и дизельные смеси, содержащие метиловые эфиры высших жирных кислот, которые применяются в дизельных двигателях.
Разработка и внедрение на рынок дизельного топлива, содержащего в своем составе компоненты, произведенные из возобновляемого сырья, представляется более сложной задачей, так как стандартные требования к дизельному топливу [3] накладывают существенные ограничения на биокомпоненты, которые можно использовать в составе такого смешанного моторного топлива. Это прежде всего высокая температура вспышки. Она в соответствии со стандартом ЕС на дизель не должна быть ниже 55ºС. Предусмотренные стандартом пределы выкипания и температура помутнения дизеля не позволяют использовать в его составе целый ряд доступных продуктов, производимых из возобновляемого сырья. В то же время применение дизельного топлива, содержащего биокомпоненты представляется весьма перспективным.
Общее потребление дизельного топлива в странах ЕС в 1998 г. было около 150 млн. тонн. Вероятнее всего что эта цифра в перспективе не уменьшится, а возрастет, в том числе за счет новых стран входящих в состав Европейского Союза. Таким образом потенциальный рынок биокомпонентов дизеля будет расти как минимум в соответствии с данными представленными в Таблице 2.
 

Таблица 2
Потенциальный рынок биодизеля

С учетом темпов роста потребности в биокомпоненте, а также возможностей производства метиловых эфиров высших жирных кислот становится очевидным, что последние не смогут обеспечить необходимые для Европейского Союза количества биокомпонента дизеля в установленные сроки.
На протяжении нескольких лет мы занимались разработкой дизельного топлива, содержащего в своем составе компоненты, произведенные из возобновляемого сырья, который может использоваться в стандартном двигателе. Кроме того, мы стремились получить моторное топливо, которое при сгорании дает выхлопные газы, содержащие значительно меньшее количество вредных веществ.
Известно, что замена части углеводородов в дизельном топливе кислородосодержащими соединениями обеспечивает приемлемую мощность и более чистый выхлоп без модернизации существующих дизельных двигателей [4-6]. О достижимости и свойствах смесей дизельной фракции нефти с этанолом сообщалось давно [7]. Однако, основная проблема использования в качестве части дизельного моторного топлива низших спиртов состоит в том, что такие моторные топлива склонны к фазовому разделению, особенно в присутствии в системе воды и при температурах ниже 0ºС. Проблема наличия воды в спирто-дизельных смесях решается в ряде патентов [8-14], в том числе путем использования поверхностно-активных веществ. Проблема гомогенности дизельного топлива, содержащего низшие спирты, решается путем [15,16] введения в смесь высших насыщенных спиртов с линейной и разветвленной структурой, а также путем [17] введения в смесь жирных кислот и/или органических эфиров. Однако все работы, посвященные многокомпонентным кислородосодержащим дизельным топливам, имеют весьма ограниченную информацию об эксплуатационных характеристиках таких топлив и практически ничего не говорят о составе выхлопных газов, образующихся при работе стандартных двигателей, использовавших предложенные топливные составы.
Разработанные нами композиции дизельного топлива включают кислородосодержащие соединения имеющие по крайней мере четыре кислородосодержащие функциональные группы, выбранные из следующего: спирты, альдегиды, кетоны, простые и сложные эфиры, неорганические эфиры, ацетали, эпоксиды и перекиси, причем указывается, что по крайней мере четыре кислородосодержащие функциональные группы могут вводиться любой комбинацией двух или более различных соединений, каждое из которых содержит по крайней мере одну из указанных групп и, необязательно, углеводородные соединения [18]. Дизельное топливо, полученное таким образом, представляет собой однородную жидкость, устойчивую к присутствию воды в широком диапазоне температур. Большинство кислородосодержащих соединений, которые мы рекомендуем использовать в качестве компонентов дизельного топлива, могут производиться из возобновляемого сырья. Моторные топлива, составленные только из кислородосодержащих соединений, могут успешно использоваться для работы стандартных дизельных двигателей. Очевидно, что выполненная нами работа открывает широкие перспективы при компоновании дизельного топлива для стандартных двигателей на основе продуктов, произведенных из возобновляемого сырья. Также очевидно, что при сегодняшнем уровне техники и промышленности, а также существующих ценах на биомассу, нефть, природный газ и уголь, производство кислородосодержащих компонентов из биомассы будет обходиться дороже и стоимость этих компонентов будет выше стоимости дизельного топлива, произведенного из ископаемых продуктов. Именно поэтому мы предлагаем постепенную замену углеводородов ископаемого происхождения в дизельном топливе на кислородосодержащие компоненты, произведенные из биомассы, причем введение этих биокомпонентов не должно изменять эксплуатационные характеристики дизельном топливе, определенные существующими стандартами.
В настоящее время в Европейском Союзе продается дизельное топливо EN590 [3] во всех странах, кроме Швеции, где на рынке находится еще более продвинутое в экологическом отношении дизельное топливо Мк1 [19]. Мы вместе с Ассоциацией Шведских фермеров разработали смешанное топливо Биодизель 15, в составе которого находится 85% объемных углеводородной составляющей, представляющей собой дизельное топливо EN590 или Мк1, и 15% объемных биокомпонентов, представляющих собой смесь нескольких кислородосодержащих соединений, произведенных из биомассы.

Как видно из данных, представленных на рисунках 1-4, введение в дизельное топливо 15% объемных кислородосодержащих биокомпонентов вместо углеводородной основы практически не отражается на эксплуатационных параметрах мощного дизельного двигателя по сравнению с его работой на стандартном топливе EN590 или Мк1 [20].

На рисунке 5 приведены диаграммы, отражающие изменения в составе выхлопных газов, а также в расходе топлива при работе стандартного дизельного двигателя на референcном и тестируемом моторном топливе. В качестве референcного топлива использовалось дизельное топливо на 100% состоящее из углеводородов, а именно EN590 или Мк1. В качестве тестируемого моторного топлива использовалось дизельное топливо, в котором содержалось 85% объемных EN590 или Мк1 и 15% объемных представляли собой смесь нескольких кислородосодержащих соединений, произведенных из биомассы.
Как видно из представленных диаграмм, тестируемое топливо демонстрирует снижение нетто-выбросов практически всех вредных компонентов, содержащихся в выхлопных газах, при этом снижение выбросов СО2 составляет около 14% (с учетом СО2, связанного биокомпонентом) по сравнению как с референcным топливом EN590, так и с референcным топливом Мк1, которое на сегодняшний день является наиболее безопасным в экологическом отношении дизельным топливом. Расход тестируемого топлива увеличивается менее чем на 2%, по сравнению с референсным топливом [20].
Разработанное нами топливо было испытано на стенде в течение длительного периода работы двигателя, а именно более 500 часов. Кроме того на стенде в течение более 1000 часов испытывалась работа топливного насоса прокачивающего Биодизель 15. Анализ полученных данных показал [21], что новое топливо не оказывает отрицательного воздействия на работу двигателя и топливного насоса.
Разработанное нами топливо было испытано в зимних условиях на севере Швеции при температуре окружающего воздуха ниже минус 20ºС. На Биодизеле 15 работали две лесозаготовительные машины, а именно форвардер и харвестер, имеющие стандартные двигатели производства фирмы Valmet. Работа в течение нескольких месяцев этих машин на новом топливе не вызывала никаких затруднений и по мнению обслуживающего персонала ничем не отличалась от эксплуатации машин на стандартном дизельном топливе. По мнению специалистов, инспектировавших внутреннее состояние двигателей Valmet до начала работы на Bioдизеле 15 и после её окончания, никаких изменений состояния двигателей не произошло [22].
В Таблице 3 приведены спецификации Биодизеля 15 по сравнению с требованиями стандартов на Европейское топливо EN590 и Шведское топливо Мк1.
 
Таблица 3. Сравнительные характеристики Биодизеля 15 и стандартных топлив EN590 и Мк1

Как видно из данных представленных в таблице 3, новое дизельное топливо, содержащее биокомпоненты в количестве до 15% по объему, не выходит за пределы действующих стандартов.
Биокомпоненты, которые мы используем в составе Биодизеля 15, производятся из доступной биомассы по технологии, освоенной в промышленном масштабе. В Европе имеются свободные посевные площади, которые в настоящее время не задействованы. Все страны Европы заинтересованы в развитии сельского хозяйства, так как это дает большое количество новых рабочих мест. В северных странах сырьем для производства биокомпонентов также может служить лес. Технология производства кислородосодержащих компонентов, используемых нами в составе нового дизельного топлива, универсальная. Она позволяет производить кислородосодержащие компоненты как на основе возобновляемого сырья, так и на основе природного газа или легких фракций нефти. То есть, сегодня можно создать производственные мощности, которые будут работать на минеральном сырье, обеспечивая уменьшенное содержание в выхлопных газах обычного дизеля SOx, NOx и частиц. По мере развития биологической сырьевой базы и по мере введения требований по увеличению содержания биокомпонентов в составе топлив на тех же самых производственных мощностях будут изготавливаться биокомпоненты на основе возобновляемого сырья. Производство Биодизеля 15 осуществляется простым смешением дизеля-основы и биокомпонентов. Вывод на рынок нового дизельного топлива, содержащего биокомпоненты, не потребует больших инвестиций от компаний, торгующих моторным топливом. Складское хозяйство практически не претерпит изменений.
В Швеции продажи нового биодизеля начнутся уже в 2002 г. Мы ищем партнеров, которые заинтересованы в продажах биодизеля в других странах.  Наш патент заявлен в 60 странах мира.

Литература

1. Киотский протокол к рамочной конвенции Организации Объединенных Наций об изменении климата. Источник: доступен в Интернете
2. Директива Европейской Комиссии: ”Proposal for a Directive of the European Parliament and of the Council on the promotion of the use of biofuels for transport”, Brussels, 7.11.2001, Nr COM(2001) 547 final. Источник: доступна в Интернете.
3. Стандарт на дизтопливо EN590. ”Svensk Standard SS-EN 590. Automotive fuels – Diesel – Requirements and test methods”, 2000-03-31. Swedish Institute for Standards
4. R.T. Johnson, J.O. Stoffer, Soc. Automot. Eng. (Spec. Publ.), 1983, S.P. 542, 91-104
5. Mathur H.B., Babu M.K. Indian Inst. Techn. Journ. Therm. Eng., 1988, 2(3), p. 63-72
6. K. Haschimoto et al., Journ. Jap. Petrol. Inst., 1996, v. 39, N 2, p. 166-169
7. ”Technical Feasibility of Diesohol”, ASAE Paper, 79-1052, 1979
8. Патент Великобритании 2,002,400 от 12.07.1977
9. Европейский патент EP-A.0014992 от 20.02.1980
10. Патент Великобритании 2,115,002 от 01.02.1982
11. Патент США 4,356,001 от 26.10.1982
12. Патент США 4,451,265 от 21.04.1984
13. Патент США 4,509,950 от 24.03.1985
14. Европейский патент 475,620 от 18.04.1992
15. Патент Франции № 2453210 от 31.10.1980
16. Европейский патент № 319060 от 07.06.1989
17. РСТ патент W095/02654 от 26.01.1995
18. РСТ патент WO01/18155 A1 от 15.03.2001
19. Стандарт на дизтопливо Мк1. ”Svensk Standard SS 15 54 35 Dieselbrännolja av miljöklass 1 och 2 för snabbgående dieselmotorer.”, 2001-05-11. Swedish Institute for Standards
20. “Testing of Biodiesel 15 on a test-bench engine”, VTT Research report. Agrofuel AB, Sweden, 2000.
21. “Testing of Biodiesel 15 on a test-bench engine”, VTT Research report. Agrofuel AB, Sweden, 2001.
22. “Feltforsøk Biodiesel 15”, PKS report. Statoil Nordisk Energi, Norway, 2001.

Angelica Hull, Татьяна Маранджева, Swedish Agrofuels AB
Stockholm, Sweden

C текущей ситуацией и прогнозом развития российского рынка горюче-смазочных материалов можно познакомиться в отчетах Академии Конъюнктуры Промышленных Рынков:

 «Рынок автомобильных бензинов в России»

«Рынок нефтяных битумов в России».

«Рынок дизельных топлив в России»