Рынок производства биодизельного топлива в России начал развиваться сравнительно недавно. Первые производственные мощности появились в 2006 году, а в 2010 году была принята федеральная программа развития производства биодизельного топлива до 2020 года. В 2022 году была утверждена отраслевая программа «Применение альтернативного топлива из отходов в промышленном производстве на 2022–2030 годы», разработанная Министерством промышленности и торговли Российской Федерации. Цель программы — сформировать комплекс мероприятий для развития системы производства и потребления альтернативного топлива из отходов.
«Газпром нефть» на данный момент является единственной нефтяной компанией, активно реализующей пилотные проекты по выпуску биотоплива в России. В сегменте судового топлива компания выпустила промышленную партию свыше 30 тыс. тонн с 6%-м увеличением биокомпонента, этим видом топлива были заправлены различные суда в морских портах РФ. Также на рынке представлены малые и средние компании, которые производят биодизельное топливо в небольших объемах.
Спрос на биодизельное топливо в России по сравнению с другими видами топлива на сегодняшний день не является высоким. Однако в связи с растущей экологической осознанностью, ростом цен на нефть и государственной поддержкой развития производства биодизельного топлива, спрос на него может значительно увеличиваться в будущем.
В связи с тем, что на российском рынке относительно небольшое количество игроков, характерна повышенная конкуренция между ними. Однако российские производители биодизельного топлива сталкиваются с проблемами в производстве и маркетинге своей продукции, а также со сложностями в получении выгодных ценовых условий.
Зарубежный рынок
Биодизельное топливо является возобновляемым горючим, которое производится из растительных и животных масел. Оно используется в качестве альтернативы традиционному дизельному топливу, чтобы уменьшить выбросы вредных веществ в атмосферу. Мировой рынок биотоплива сейчас находится на подъеме, его годовой оборот оценивается в 120 млн тонн в год.
Зарубежный рынок по производству биодизельного топлива развивается довольно быстро. Согласно исследованию, опубликованному Indexbox общий объем производства биодизеля за период с 2012 по 2021 год, увеличился на 1,4% .
Наибольшее производство биодизеля приходится на Европу, где 80% его потребления составляют Германия, Франция и Испания. США также является крупным производителем биодизеля, продукция которого производится из соевого масла и животных жиров.
Согласно данным на 2023 год, наибольшее производство биодизеля в процентном соотношении от общего объема дизельного топлива отмечается в следующих странах: Германия, Франция, Италия. (Рис. 1)
«Газпром нефть» на данный момент является единственной нефтяной компанией, активно реализующей пилотные проекты по выпуску биотоплива в России. В сегменте судового топлива компания выпустила промышленную партию свыше 30 тыс. тонн с 6%-м увеличением биокомпонента, этим видом топлива были заправлены различные суда в морских портах РФ. Также на рынке представлены малые и средние компании, которые производят биодизельное топливо в небольших объемах.
Спрос на биодизельное топливо в России по сравнению с другими видами топлива на сегодняшний день не является высоким. Однако в связи с растущей экологической осознанностью, ростом цен на нефть и государственной поддержкой развития производства биодизельного топлива, спрос на него может значительно увеличиваться в будущем.
В связи с тем, что на российском рынке относительно небольшое количество игроков, характерна повышенная конкуренция между ними. Однако российские производители биодизельного топлива сталкиваются с проблемами в производстве и маркетинге своей продукции, а также со сложностями в получении выгодных ценовых условий.
Зарубежный рынок
Биодизельное топливо является возобновляемым горючим, которое производится из растительных и животных масел. Оно используется в качестве альтернативы традиционному дизельному топливу, чтобы уменьшить выбросы вредных веществ в атмосферу. Мировой рынок биотоплива сейчас находится на подъеме, его годовой оборот оценивается в 120 млн тонн в год.
Зарубежный рынок по производству биодизельного топлива развивается довольно быстро. Согласно исследованию, опубликованному Indexbox общий объем производства биодизеля за период с 2012 по 2021 год, увеличился на 1,4% .
Наибольшее производство биодизеля приходится на Европу, где 80% его потребления составляют Германия, Франция и Испания. США также является крупным производителем биодизеля, продукция которого производится из соевого масла и животных жиров.
Согласно данным на 2023 год, наибольшее производство биодизеля в процентном соотношении от общего объема дизельного топлива отмечается в следующих странах: Германия, Франция, Италия. (Рис. 1)
Рис. 1 Страны производители биодизеля
Объём рынка биодизеля в 2025 году оценивается в 37,33 млрд долларов США и, как ожидается, достигнет 54,09 млрд долларов США к 2030 году при среднегодовом темпе роста 7,7% в течение прогнозируемого периода (2025–2030). Стоит отметить, что в последние годы интерес к производству биодизеля растет, поэтому эти цифры могут изменяться.
Китай также пытается принимать активное участие и наращивает производство биодизеля. Однако, согласно исследованию, из-за технических проблем и недостатка финансирования производство биодизеля в Китае имеет крайне низкий уровень эффективности.
Сырьевая база производства биодизеля
Сырьевая база – это общее название для набора ресурсов, которые необходимы для производства продукта (в данном случае топлива). Она может включать в себя как общие ресурсы: земельные участки, воду, энергию, так и уникальные, которые специфичны для производства определенного вида топлива. Таким образом, сырьевая база является ключевым элементом в производстве топлива, так как определяет его качество, состав и цену. Сырьевая база производства биодизеля включает в себя растительные и животные жиры и масла.
Существует несколько типов сырья для производства биодизельного топлива:
Одним из распространенных и перспективных источников сырья для производства биодизеля - растительное масло. Оно является доступным и экономически целесообразным ресурсом, который может быть добыт в различных регионах мира. Животные жиры и алкоголь также имеют перспективы использования в производстве биодизеля, но они используются гораздо реже, поскольку имеют более узкое применение. В целом, выбор сырья зависит от многих факторов, таких как доступность, стоимость, экологические аспекты и производительность.
Китай также пытается принимать активное участие и наращивает производство биодизеля. Однако, согласно исследованию, из-за технических проблем и недостатка финансирования производство биодизеля в Китае имеет крайне низкий уровень эффективности.
Сырьевая база производства биодизеля
Сырьевая база – это общее название для набора ресурсов, которые необходимы для производства продукта (в данном случае топлива). Она может включать в себя как общие ресурсы: земельные участки, воду, энергию, так и уникальные, которые специфичны для производства определенного вида топлива. Таким образом, сырьевая база является ключевым элементом в производстве топлива, так как определяет его качество, состав и цену. Сырьевая база производства биодизеля включает в себя растительные и животные жиры и масла.
Существует несколько типов сырья для производства биодизельного топлива:
- растительные масла - один из самых распространенных и известных типов сырья. Растительные масла получают из сои, рапса, подсолнечника, пальмы и других растений. Для производства биодизеля необходимо превратить масло в этиловые и метиловые эфиры;
- животные жиры (говяжьи, свиные, куриные и т.д.). Это отходы отрасли животноводства и переработки мяса;
- отработанные растительные и животные масла и жиры, полученные в результате переработки пищевых и биологических отходов;
- микроводоросли(спирулина, хлорелла и др.) и микроорганизмы (бактерии, грибы), производящие масла и жиры;
- органические отходы деревообработки (древесина, пеньки, солома, опилки и т.д.), из которых после химической переработки можно получить сначала целлюлозу и лигноцеллюлозу, а затем дизельное топливо;
- алкоголь. Этиловый и метиловый спирт получают из сырья, такого как сахар, кукуруза, ячмень, опилки. Одного этого сырья для производства биодизеля недостаточно, так как содержание энергии в них очень низкое. Однако есть возможность включения этанола из растительного сырья в качестве добавки в биодизельное топливо;
- культуры, богатые крахмалом. Такие культуры, как картофель, кукуруза, рис, могут выступать в качестве сырья для производства биодизеля, но их использование не является экономически целесообразным, так как их высокая потребность в воде, удобрениях и наличие альтернативных применений снижают эффективность производства биодизеля.
Одним из распространенных и перспективных источников сырья для производства биодизеля - растительное масло. Оно является доступным и экономически целесообразным ресурсом, который может быть добыт в различных регионах мира. Животные жиры и алкоголь также имеют перспективы использования в производстве биодизеля, но они используются гораздо реже, поскольку имеют более узкое применение. В целом, выбор сырья зависит от многих факторов, таких как доступность, стоимость, экологические аспекты и производительность.
Методы исследования
Экспериментальные исследования выполнены в период с ноября 2022 по апрель 2023 года в лаборатории Омского государственного технического университета.
В ходе работы было приготовлено 3 образца биодизеля из растительного масла, отработанного машинного масла, водорослей:
В таблице 1 приведены результаты определения плотности биодизельного топлива, полученного из трех разных видов сырья при разных температурах.
Экспериментальные исследования выполнены в период с ноября 2022 по апрель 2023 года в лаборатории Омского государственного технического университета.
В ходе работы было приготовлено 3 образца биодизеля из растительного масла, отработанного машинного масла, водорослей:
- получение биодизеля из отработанного подсолнечного масла проводили согласно патенту 2404230 С1;
- методика получения биодизеля из отработанного машинного масла описана в патенте RU 2 423 410 C2;
- получение биодизеля из водорослей проводили в соответствии с патентом RU 2404229 C1.
В таблице 1 приведены результаты определения плотности биодизельного топлива, полученного из трех разных видов сырья при разных температурах.
Расчет цетанового числа
Цетановое число биодизеля является показателем качества и эффективности сгорания данного топлива. Оно указывает на скорость самовоспламенения биодизеля при сжатии в камере сгорания дизельного двигателя, исходя из того, что чем быстрее происходит воспламенение, тем эффективнее сгорание и тем выше мощность двигателя.
Обычно цетановое число биодизеля колеблется в диапазоне от 50 до 60 единиц, что может быть ниже или выше, чем у обычного дизельного топлива. Однако, в среднем показатель для биодизеля выше, чем для дизельного топлива, что делает его более эффективным.
Цетановое число биодизеля зависит от основы, из которой он произведен. Например, биодизель, полученный из соевого масла, обычно имеет цетановое число в диапазоне 50-55 единиц, тогда как биодизель, полученный из рапсового масла, может иметь цетановое число около 60 единиц. В целом, чем выше цетановое число биодизеля, тем более безопасно и эффективно его использование в дизельных двигателях.
Цетановое число (ЦЧ) биодизельного топлива может быть рассчитано по формуле:
где а – доля метиловых эфиров жирных кислот (МЭЖК) в биодизеле;
b – доля этиловых эфиров жирных кислот (ЭЭЖК) в биодизеле;
0.46 и 0.54 – это коэффициенты, которые используются для расчета цетанового числа биодизельного топлива.
По результатам расчетов биодизель из отработанного растительного масла имеет самое высокое ЦЧ - 56 (Таблица 2).
Цетановое число биодизеля является показателем качества и эффективности сгорания данного топлива. Оно указывает на скорость самовоспламенения биодизеля при сжатии в камере сгорания дизельного двигателя, исходя из того, что чем быстрее происходит воспламенение, тем эффективнее сгорание и тем выше мощность двигателя.
Обычно цетановое число биодизеля колеблется в диапазоне от 50 до 60 единиц, что может быть ниже или выше, чем у обычного дизельного топлива. Однако, в среднем показатель для биодизеля выше, чем для дизельного топлива, что делает его более эффективным.
Цетановое число биодизеля зависит от основы, из которой он произведен. Например, биодизель, полученный из соевого масла, обычно имеет цетановое число в диапазоне 50-55 единиц, тогда как биодизель, полученный из рапсового масла, может иметь цетановое число около 60 единиц. В целом, чем выше цетановое число биодизеля, тем более безопасно и эффективно его использование в дизельных двигателях.
Цетановое число (ЦЧ) биодизельного топлива может быть рассчитано по формуле:
ЦЧ = 0.46 * а + 0.54 * b,
где а – доля метиловых эфиров жирных кислот (МЭЖК) в биодизеле;
b – доля этиловых эфиров жирных кислот (ЭЭЖК) в биодизеле;
0.46 и 0.54 – это коэффициенты, которые используются для расчета цетанового числа биодизельного топлива.
По результатам расчетов биодизель из отработанного растительного масла имеет самое высокое ЦЧ - 56 (Таблица 2).
Таким образом, биодизель из отработанного растительного масла имеет самое высокое ЦЧ. Дизельное топливо характеризуется цетановым числом 40-45 единиц, а топливо высшего качества (премиальное) имеет цетановое число 51-55.
Расчет йодного числа
Йодное число – это единица, определяющая, какое количество непредельных углеводородов содержатся в 100 г масла или жира.
Для расчета йодного числа биодизельного топлива необходимо знать содержание жирных кислот в исходном сырье. Известно, что отработанное растительное масло содержит около 70% жирных кислот, машинное масло – до 50%, а водоросли – до 35%. Для разных типов биодизеля могут быть разные значения йодного числа.
Йодное число может быть рассчитано по формуле:
где IN – йодное число, г/100 г;
Xж.к – содержание жирных кислот, г/100 г.
По результатам подсчетов йодное число биодизеля из отработанного растительного, машинного масла и водорослей составляет соответственно 84, 60 и 42 г/100 г (таблица 2).
В соответствии с требованиями ГОСТ Р 53605-20093, йодное число биодизельного топлива не должно быть выше 120.
Расчет коэффициента теплопроводности
Коэффициент теплопроводности биодизельного топлива может быть рассчитан по формуле Крэга:
где λ – коэффициент теплопроводности;
С – доля углерода в биодизеле;
H – доля водорода в биодизеле;
0.16, 0.79 и 2.4 – коэффициенты, которые используются в уравнении для расчета:
• 0.16 – это коэффициент, который отражает вклад составляющих топлива, не связанных с углеродом и водородом (например, кислород и азот);
• 0.79 – это коэффициент, который учитывает вклад углерода в теплопроводность топлива;
• 2.4 – это коэффициент, который учитывает вклад водорода в теплопроводность топлива.
Для биодизеля из отработанного растительного масла средняя доля углерода составляет примерно 77%, а доля водорода – около 11%. λ= 1.51 Вт/(м2∙К).
Для биодизеля из отработанного машинного масла средняя доля углерода составляет примерно 77%, а доля водорода – около 12%. λ = 1.52 Вт /(м2∙К).
Для биодизеля из водорослей средняя доля углерода составляет примерно 72%, а доля водорода – около 12%. λ = 1.42 Вт/(м2∙К).
Таким образом, коэффициент теплопроводности биодизельного топлива из отработанного машинного масла, отработанного растительного масла и из водорослей составляет соответственно 1.52; 1.51 и 1.42 Вт/(м2∙К) (Таблица 1).
Выход биодизеля зависит от многих факторов, таких как тип и качество масла, используемая технология и условия производства. В соответствии с технологиями для экспериментов было использовано 100 мл масла, 10 мл метанола, 0,4 г щелочи.
В данном случае, при использовании отработанного растительного масла выход биодизеля составил 100 мл на 100 мл масла. Использование машинного масла дало выход биодизеля в размере 40 мл на 100 мл. Наконец, выход биодизеля при использовании водорослей составил 50 мл на 100 мл.
Экономическая эффективность
Производство биодизельного топлива из органических отходов может приносить экономическую эффективность благодаря использованию отходов, которые в противном случае были бы утилизированы или выброшены, что может привести к дополнительным затратам.
Производство биодизеля из отработанного растительного, машинного масла и водорослей также может помочь сократить зависимость от нефти.
Себестоимость биодизеля из отработанного растительного масла составляет примерно 43,3 руб/л; для отработанного машинного масла – 47,0 руб/л; для биодизеля из водорослей составляет примерно – 49,2 руб/л.
Достоинства биодизеля:
Побочный продукт производства – глицерин – имеет широкое применение в промышленности. Очищенный глицерин используют для производства технических моющих средств (например, мыла). После глубокой очистки получают фармакологический глицерин, тонна которого на рынке стоит порядка 1 тыс. евро. При добавлении фосфорной кислоты к глицерину можно получить фосфорные удобрения.
Биодизель считается перспективным направлением из-за его экологических преимуществ. По сравнению с нефтяным топливом производство биодизеля сокращает выбросы парниковых газов более чем на 80%, снижает загрязнение воздуха пылевой взвесью и выбросы углеводородов почти на 70%. При этом в процессе его изготовления практически не образуется отходов.
Расчет йодного числа
Йодное число – это единица, определяющая, какое количество непредельных углеводородов содержатся в 100 г масла или жира.
Для расчета йодного числа биодизельного топлива необходимо знать содержание жирных кислот в исходном сырье. Известно, что отработанное растительное масло содержит около 70% жирных кислот, машинное масло – до 50%, а водоросли – до 35%. Для разных типов биодизеля могут быть разные значения йодного числа.
Йодное число может быть рассчитано по формуле:
IN = (Xж. к, г/100г) / (массовую долю биодизеля, %),
где IN – йодное число, г/100 г;
Xж.к – содержание жирных кислот, г/100 г.
По результатам подсчетов йодное число биодизеля из отработанного растительного, машинного масла и водорослей составляет соответственно 84, 60 и 42 г/100 г (таблица 2).
В соответствии с требованиями ГОСТ Р 53605-20093, йодное число биодизельного топлива не должно быть выше 120.
Расчет коэффициента теплопроводности
Коэффициент теплопроводности биодизельного топлива может быть рассчитан по формуле Крэга:
λ = 0.16 + 0.79C + 2.4H,
где λ – коэффициент теплопроводности;
С – доля углерода в биодизеле;
H – доля водорода в биодизеле;
0.16, 0.79 и 2.4 – коэффициенты, которые используются в уравнении для расчета:
• 0.16 – это коэффициент, который отражает вклад составляющих топлива, не связанных с углеродом и водородом (например, кислород и азот);
• 0.79 – это коэффициент, который учитывает вклад углерода в теплопроводность топлива;
• 2.4 – это коэффициент, который учитывает вклад водорода в теплопроводность топлива.
Для биодизеля из отработанного растительного масла средняя доля углерода составляет примерно 77%, а доля водорода – около 11%. λ= 1.51 Вт/(м2∙К).
Для биодизеля из отработанного машинного масла средняя доля углерода составляет примерно 77%, а доля водорода – около 12%. λ = 1.52 Вт /(м2∙К).
Для биодизеля из водорослей средняя доля углерода составляет примерно 72%, а доля водорода – около 12%. λ = 1.42 Вт/(м2∙К).
Таким образом, коэффициент теплопроводности биодизельного топлива из отработанного машинного масла, отработанного растительного масла и из водорослей составляет соответственно 1.52; 1.51 и 1.42 Вт/(м2∙К) (Таблица 1).
Выход биодизеля зависит от многих факторов, таких как тип и качество масла, используемая технология и условия производства. В соответствии с технологиями для экспериментов было использовано 100 мл масла, 10 мл метанола, 0,4 г щелочи.
В данном случае, при использовании отработанного растительного масла выход биодизеля составил 100 мл на 100 мл масла. Использование машинного масла дало выход биодизеля в размере 40 мл на 100 мл. Наконец, выход биодизеля при использовании водорослей составил 50 мл на 100 мл.
Экономическая эффективность
Производство биодизельного топлива из органических отходов может приносить экономическую эффективность благодаря использованию отходов, которые в противном случае были бы утилизированы или выброшены, что может привести к дополнительным затратам.
Производство биодизеля из отработанного растительного, машинного масла и водорослей также может помочь сократить зависимость от нефти.
Себестоимость биодизеля из отработанного растительного масла составляет примерно 43,3 руб/л; для отработанного машинного масла – 47,0 руб/л; для биодизеля из водорослей составляет примерно – 49,2 руб/л.
Достоинства биодизеля:
- высокое цетановое число (для минерального дизтоплива 42-45, для биодизеля (метиловый эфир) не менее 51;
- увеличение срока службы двигателя. При работе двигателя на биодизеле одновременно производится смазка его подвижных частей, в результате которой, как показывают испытания, достигается увеличение срока службы самого двигателя и топливного насоса в среднем на 60 %. Важно отметить, что нет необходимости модернизировать двигатель;
- высокая температура воспламенения. Точка воспламенения для биодизеля превышает 150°С, что делает биогорючее сравнительно безопасным веществом.
Побочный продукт производства – глицерин – имеет широкое применение в промышленности. Очищенный глицерин используют для производства технических моющих средств (например, мыла). После глубокой очистки получают фармакологический глицерин, тонна которого на рынке стоит порядка 1 тыс. евро. При добавлении фосфорной кислоты к глицерину можно получить фосфорные удобрения.
Биодизель считается перспективным направлением из-за его экологических преимуществ. По сравнению с нефтяным топливом производство биодизеля сокращает выбросы парниковых газов более чем на 80%, снижает загрязнение воздуха пылевой взвесью и выбросы углеводородов почти на 70%. При этом в процессе его изготовления практически не образуется отходов.
Авторы:
Чачина Светлана Борисовна, доцент. Кафедра "Биотехнология, технология общественного питания и товароведение".
Денисова Елизавета Павловна, аспирант. Кафедра "Биотехнология, технология общественного питания и товароведение".
Омский государственный технический университет, ОмГТУ (РФ, г. Омск, Проспект мира 11)