Возможности рапса как альтернативы дизельному топливу

Для замены дизельного топлива могут быть использованы растительные масла. В Германии большие надежды в этом отношении возлагаются на рапс. Для использования топлива, получаемого из растительного сырья, рассматривают два пути. Один из них предполагает этерификацию растительных масел до кондиций дизельного топлива, а второй- модифицирование дизельного двигателя таким образом, чтобы при сгорании сырого масла в нем не образовывался вредный для работы нагар.

На автомобильном транспорте первый путь уже реализуется. Топливо Biodiesel, представляющее собой рапсовый метиловый эфир (RME), уже отпускается более чем на 800 заправочных колонках Германии. Поскольку RME является чрезвычайно агрессивной жидкостью, топливные баки, топливопроводы и другие элементы, соприкасающиеся с ним, должны иметь специальное исполнение, стойкое к RME.

Поставки растительного сырья ограничены посевными площадями, спецификой сельского хозяйства, а также возможностями переработки. Ожидается, что в 2005 г. потребление в качестве топлива рапсового масла и RME вместе составит 2,2 % общего потребления дизельного топлива автотранспортом. До 2020 г. эта доля может вырасти лишь до 4 %.

Разработка специальных двигателей маловыгодна. Низкий потенциал растительного сырья по сравнению с абсолютным потреблением дизельного топлива является причиной того, что на автомобильном транспорте целесообразнее использовать RME в обычных дизелях, а не сырое масло в специальных двигателях.

На железнодорожном транспорте это граничное условие неприемлемо. Абсолютное потребление дизельного топлива здесь значительно меньше, чем на автомобильном транспорте. Так, в 1995 г. оно составило 3,3 % потребления на автотранспорте, включая расход в устройствах обогрева. Ответ на вопрос о предпочтительности RME или сырого рапсового масла на железнодорожном транспорте также будет иным, чем на автомобильном.

Поиски новых источников энергии имеют целый ряд причин, а именно:

• ограниченность запасов обычных источников;
• зависимость от стран - экспортеров нефти;
• парниковый эффект, который обусловлен поступлением в атмосферу двуокиси углерода;
• загрязнение атмосферы выхлопными газами.

Наряду с этим рост потребности в растительном сырье для изготовления топлива может повысить доходность сельского хозяйства.

Процесс изготовления рапсового масла делится на два этапа - первичный отжим из семян и вторичный из жмыха. С помощью последующей экстракции остаточное содержание масла в жмыхе может быть дополнительно понижено. После отжима масло фильтруют и обезвоживают, очищают от кислотных компонентов и осадка, а затем осветляют.

Для производства RME требуются дополнительные затраты на этерификацию. Диапазон температур этерификации в зависимости от способа составляет 20 - 100  °C.

Рапсовое масло изготавливают на децентрализованных маслозаводах (без экстракции) и на централизованных. В Германии сейчас работают в общей сложности 80 децентрализованных и 12 централизованных заводов. Дальнейшая переработка масла в RME возможна лишь в специальных этерификационных установках. В настоящее время топливо Biodiesel выпускают восемь немецких фирм, две из которых работают за границей.

Сравнение дизельного топлива, рапсового масла и RME

Дизельное топливо может сгорать в двигателях с непосредственным впрыском или же в предкамерных и вихрекамерных. Непосредственный впрыск применяется в двигателях высокой мощности. Удельный расход топлива при этом способе впрыска ниже, чем при двух других. В то же время сгорание топлива в двух последних случаях лучше, т. е. в выхлопе содержится меньше вредных веществ.

Рапсовое масло и RME отличаются от дизельного топлива температурой кипения. У дизельного топлива она равна приблизительно 100 °C, у RME около 320 °C. У рапсового масла температура кипения тоже выше, чем у дизельного топлива. При низкой нагрузке дизеля (в том числе на холостом ходу) температура поршня снижается. Рапсовое топливо, имеющее повышенную температуру кипения и осевшее на охладившемся поршне, уже не испаряется и не воспламеняется при смешивании с воздухом. Несгоревшее топливо поршневыми кольцами перемещается вниз, попадает в картер, где смешивается со смазочным маслом. В результате этого масло разжижается попадающим в него RME, что в дальнейшем может привести к выходу дизеля из строя. При использования в качестве топлива рапсового масла его попадание в смазочное масло приводит к образованию в картере резинообразной субстанции. В связи с этим заменять масло в двигателях, работающих на рапсовом топливе, приходится чаще.

По своим свойствам рапсовое масло имеет большие отличия от дизельного топлива. Это прежде всего относится к вязкости, которая является важнейшим параметром, определяющим качество распыления и сгорания топлива. Вязкость масла может быть понижена нагреванием или разжижением путем добавления дизельного топлива. Рапсовое масло, будучи более вязкотекучим, чем дизельное топливо, при использовании в качестве топлива должно быть достаточно теплым. При слишком низких температурах оно требует подогрева.

Рапсовое масло не может длительно использоваться в обычных дизелях с непосредственным впрыском, так как оно полностью не сгорает. Результатом этого, кроме смешивания со смазочным маслом, являются продукты коксования, откладывающиеся на форсунках, поршнях и поршневых кольцах. В предкамерном и вихрекамерном двигателях длительное использование рапсового масла возможно, так как в этом случае оно дополнительно подогревается перед воспламенением, что способствует лучшему смешиванию с воздухом и более полному сгоранию.

Существуют возможности в дизеле с непосредственным впрыском таким образом изменить конструкцию поршней, головки цилиндров и форсунок, чтобы стало возможным длительное использование в качестве топлива растительных масел. Помимо этого могут быть разработаны специальные двигатели с непосредственным впрыском, предназначенные для работы на рапсовом масле. В таких двигателях должно быть предусмотрено следующее:

• температура поршня значительно выше, чем в обычных дизелях;
• ограничена возможность проникновения несгоревшего топлива в смазочное масло;
• обеспечен более высокий КПД по сравнению с обычным дизелем.

Одним из преимуществ топлива на базе рапса является пониженное содержание в выхлопе окислов серы.

Финансовый аспект и перспективы

Рассмотренные соображения говорят не в пользу внедрения растительных масел вместо дизельного топлива.

Цена RME близка к цене дизельного топлива. На заправочных станциях Германии 1 л RME обычно на 3 пфеннига дешевле дизельного топлива. Эта разница в ценах в настоящее время уже компенсируется увеличением объема продажи.

Рапсовое масло должно быть дешевле RME из-за более простой технологии изготовления. Однако практика показывает, что в чистом виде рапсовое масло в виде топлива используется в небольшом объеме. Рост его потребления возможен лишь с появлением большого числа специально разработанных двигателей. Пока изготовителей таких двигателей очень мало, поэтому они чрезвычайно дороги.

Топливо из растительного сырья освобождено от налога на минеральные масла, если оно не используется в смеси с дизельным. За счет этого налога дизельное топливо стало дороже на 6 пфеннигов за 1 л. Перспективы широкого распространения рапсового топлива зависят в значительной степени от того, будет ли освобожден от налога железнодорожный транспорт, как это имеет место с воздушным и водным. Кроме того, важен обсуждаемый Комиссией ЕС вопрос о перспективах налогообложения топлива из растительного сырья.

Большое значение для внедрения нового топлива имеют также принимаемые предельные нормы выхлопа. Если будет введен налог на выбросы СО₂ и принято решение о нормировании окислов серы, шансы рапсового топлива значительно вырастут. Широкому распространению его в сельском хозяйстве препятствует существующая скидка на дизельное топливо, газ и бензин для сельскохозяйственных машин.

Важным фактором, ограничивающим расширение площадей под рапс, является закон о премиях землевладельцам, выводящим часть посевных площадей под пар, чтобы избежать опасности перепроизводства сельскохозяйственной продукции. Пустующие площади могли бы использоваться для выращивания непищевого рапса.

Из двух рассмотренных видов рапсового топлива лучше перспективы использования на железнодорожном транспорте у рапсового масла, хотя реализация этого связана с большими затратами. Специальные двигатели для работы на рапсовом масле уже разработаны для автотранспорта. На железных дорогах таких двигателей еще нет, но возможна установка, например, на мотовозах автомобильных двигателей, специально созданных для работы на рапсовом топливе.

C. Eickmann. Eisenbahningenieur, 1999, N 6, S. 42 - 45.