ПРО ЭТАНОЛ В ТОПЛИВЕ

Начиная с 1 мая этого года в Украине действует закон о добавлении не менее 5% спирта биоэтанола к автомобильному бензину, помимо А-98 и А-100. Это нововведение вызвало огромный спрос на высокооктановый бензин, который, как считается, спирта не содержит. В этой статье предлагаю разобраться действительно ли спирт вредит двигателю и нужно ли переплачивать за 98-й и 100-й бензины.

ТЕОРИЯ и ПРАКТИКА

Биоэтанол представляет собой спирт этанол (этиловый спирт, химическая формула C2H6O), производимый из натурального сахаросодержащего сырья. 

Поскольку этанол является углеводородом (содержит атомы карбона и водорода), то его можно использовать в качестве моторного топлива, а содержание в этаноле кислорода улучшает его воспламеняемость по сравнению с бензином. Кроме того, этанол имеет очень высокое октановое число (около 110), что позволяет   сжигать  его   в   двигателях   с   большой   (более  12) степенью сжатия.

БИОЭТАНОЛ: виды и технологии производства

В настоящее время наиболее распространённым видом биоэтанола является биоэтанол первого поколения, производимый из кукурузных зёрен. Кроме того, что в ряде регионов распространено производство зернового этанола из других растений - например, маниока (Индия), батата (Мексика), сахарного тростника (Бразилия, Перу) и пшеницы (Украина и ряд стран Европы).       

В зёрнах кукурузы и других вышеперечисленных растений содержится большое количества крахмала - основного компонента для производства спирта. Технология изготовления зернового этанола (см. схему) проста - с помощью комбайна кукурузу собирают, затем зёрна измельчают и смешивают с водой, вследствии чего образуется гидросмесь. Далее гидросмесь нагревают в чане и подают в ферментатор. В ферментаторе с гидросмесью смешиваются ферменты, которые перерабатывают крахмал, содержащийся в кукурузных зёрнах, в сахар. Сахар подаётся в бродильный чан, где дрожжи перерабатывают его в спирто-водную смесь. Полученная смесь подвергается дистилляции и на выходе из дистиллятора получают готовый этанол в максимальной концентрации, равной 96%. При дистилляции этанола образуется побочный продукт - барда. После измельчения и высушивания барду можно использовать, как корм для скота.

Данная технология производства этанола проста и не требует использования дорогого и сложного оборудования, что позволяет достичь низкой стоимости продукции (1 литр этилового спирта стоит в 2 раза дешевле 1 литра бензина А-95). В то же время, технология получения биоэтанола из кукурузных зёрен имеет много недостатков. Во-первых объёмы производства этанола по данной технологии ограничены площадью территорий, на которых возможно выращивать кукурузу. Кроме того, кукуруза является продуктом питания и кормом для скота, поэтому всю выращиваемую кукурузу невозможно использовать в качестве сырья для производства биоэтанола. Например, в США около 50% годового урожая кукурузы идёт на производство биотоплива, 40% - на производство продуктов питания и 10% - на экспорт. При этом в настоящее время в США производится около 55 млрд л кукурузного этанола в год. Такие объёмы производства позволяют заместить только 10% от ежегодного потребления бензина в стране. 

Кроме того, производство биоэтанола из кукурузы лишь немногим экологичнее переработки нефти в бензин, поскольку для комбайнов требуется дизельное топливо, а в процессе производства (в частности, при нагреве гидросмеси и дистилляции этанола) сжигается ископаемое топливо. При этом в атмосферу выбрасывается большое количество вредных веществ, таких как оксид углерода и оксида азота.

Именно поэтому в последние 5-10 лет всё больше компаний переходят на производство биоэтанола второго поколения из целлюлозы.

Целлюлоза содержится в стеблях растений и обеспечивает их вертикальный рост. Каждое целлюлозное волокно представляет собой тысячи прочно соединённых цепочек из молекул глюкозы (фактически, сахара). Однако волокна целлюлозы в растениях окружены прочными волокнами лигнина и гемицеллюлозы, которые практически невозможно расщепить.  Именно по этой причине до недавнего времени производить топливо из целлюлозы было невозможно. Однако в последние 10 лет исследователи из США внедрили большое количество различных технологий производства целлюлозного этанола. Наибольшее распространение получила т.н. “низкотемпературная технология”.

В начале целлюлозу измельчают и нагревают до температуры 70-100*С. Затем целлюлозные волокна обрабатывают сильными щелочами и кислотами (например, аммиаком) для того, чтобы расщепить лигниновую оболочку. Далее сахара, содержащиеся в целлюлозе, с помощью дрожжей перерабатывают в этанол и воду. Дальнейший процесс дистилляции и фильтрации этанола аналогичен описанному выше.

В качестве сырья для получения целлюлозного этанола можно использовать отходы (например, стебли растений, которые не идут на корм скоту), а также специальные энергетические культуры - например, просо прутьевидное (на фотографии выше). Энергетические культуры не требуют большого количества удобрений и могут расти на различных типах почв. 

Всё это делает целлюлозный биоэтанол значительно более привлекательным, нежели кукурузный и позволяет производить его в достаточно больших количествах. Так, в 2020 году годовое производство целлюлозного этанола в США достигло 60 млрд л, а к 2030 году по прогнозам исследователей достигнет 190 млрд л в год. 

Единственным же недостатком данной технологии является более высокая стоимость из-за использования аммиака, а также других кислот и щелочей.

Завод по производству зернового биоэтанола в США, штат Айова.

БИОЭТАНОЛ: особенности применения в качестве моторного топлива

В настоящее время из биоэтанола производится несколько видов моторного топлива - 100% биоэтанол марки Е100, смеси биоэтанола с бензином в пропорциях 20:80, 30:70, 35:65, 40:60 и 85:15 (марки Е20, Е30, Е35, Е40 и Е85 соответственно), а также бензин с 5-10% добавкой этанола (марки Е5 и Е10). 

Применение данных видов топлива зависит от конструкции двигателя и топливной системы автомобиля. Например, на топливе Е100 могут постоянно работать лишь несколько выпускаемых сейчас машин - например, Fiat Siena Tetra-Fuel для рынка Бразилии (фотография выше). Этанол-бензиновые смеси с процентным содержанием этанола не более 85% можно использовать в автомобилях, оборудованных системой Flex-Fuel Vehicle (автомобиль с гибким выбором топлива). Такие автомобили выпускают компании Ford, Chevrolet, Dodge и Chrysler. Автомобили Flex-Fuel оснащаются датчиком, определяющим процентное содержание биоэтанола в топливе, что позволяет регулировать работу двигателя и форсунок в зависимости от типа топлива, на котором работает автомобиль.

Современные бензиновые двигатели без каких-либо доработок могут работать на топливе с содержанием этанола не более 15%. Таким образом, битопливные смеси Е5, Е10, Е15 могут использовать фактически все выпускаемые сейчас автомобили с бензиновыми моторами. 

Кроме того, смеси Е5 и Е10 могут использовать все европейские, американские, японские и корейские автомобили, произведённые с 1998 года.

БИОЭТАНОЛ: достоинства по сравнению с бензином

Этиловый спирт имеет ряд достоинств по сравнению с автомобильным бензином. Во-первых этанол, в отличие от бензина, содержит кислород, что позволяет улучшить процессы сгорания и уменьшить выбросы отработавших газов. Кроме того, этанол не содержит серы, поэтому при работе мотора на этанол-содержащем топливе на поршнях, стенках цилиндров и клапанах не будет образовываться нагар. 

Как уже говорилось, этанол имеет октановое число около 110, что выше, чем у самого высокооктанового бензина А-100 на 10 единиц. Такое высокое октановое число спирта обеспечивает хорошую антидетонационная стойкость, поэтому высокооктановое топливо, содержащее этанол рекомендуется применять в двигателях с большой (12 и более) степенью сжатия. 

Ещё одним достоинством топливного этанола является его низкая цена. 

БИОЭТАНОЛ: недостатки по сравнению с бензином

Недостатком этанола в сравнении с бензином является его меньшая теплотворность (удельная теплота сгорания) и, как следствие, повышенный расход топлива при работе двигателя на спирту. Например, топливная смесь Е10 имеет удельную теплоту сгорания 44.4 МДж/кг, а бензин - 46 МДж/кг, поэтому при работе двигателя на смеси Е10 расход топлива увеличится приблизительно на 4% (44.4 составляет 96% от 46). Однако этот недостаток компенсируется более низкой стоимостью этанола по сравнению с бензином.

Помимо этого, биоэтанол обладает сильными щелочно-кислотными свойствами, что вызывает коррозию в топливной системе и разъедание резиновых элементов, однако при производстве в этанол добавляется присадка, превращающая топливный этанол в нейтральный раствор, не вызывающий коррозии.

ВЫВОДЫ

Биоэтанол - это современное экологически чистое топливо, которое при содержании до 15% может использоваться практически во всех автомобилях, выпущенных после 1998 года. При заправке этанолсодержащим топливом увеличится мощность двигателя, улучшится сгорание топлива и уменьшится нагар на элементах двигателя. Единственный недостаток этанола - меньшая теплотворность и, как следствие, более высокий расход топлива двигателем при работе на спирту - компенсируется его низкой ценой и вышеперечисленными достоинствами. Таким образом, никакого смысла в избегании заправки этанолсодержащим бензином нет. Добавление этанола в бензин - практика высокоразвитых стран и регионов и поэтому внедрение такого новшества в Украине, на мой взгляд, оправдано и правильно. 

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Если же даже после прочтения статьи у Вас остались сомнения в возможности заправки Вашего автомобиля этанолом, то проверить это можно на сайте  https://e10.klimat.gov.pl/ .