Биодизельное топливо как средство достижения цели минимизации вредных выбросов в атмосферу



В статье авторы рассматривают способы снижения количества вредных веществ, выбрасываемых при работе двигателей внутреннего сгорания. Наиболее перспективным и экономически целесообразным способом является замена (частичная или полная) нефтяного дизельного топлива на биодизельное топливо, полученное из возобновляемого сырья. Концентрация угарного газа, легких углеводородов, и оксидов азота в выхлопных выбросах снижается при использовании биодизельного топлива.

Ключевые слова: биодизельное топливо, экологически чистое дизельное топливо, выбросы в атмосферу, дизельный двигатель.

Уровень жизни людей зависит от множества факторов, таких как уровень технологического и экономического развития, географическое расположение места жительства, социальный статус и состояние здоровья. В последние годы актуальной повесткой стала и экологическая ситуация, значительно влияющая на здоровье населения как уже сейчас, так и в будущем (с загрязнением атмосферного воздуха связано около 30 % всех заболеваний) [1, 2].

Уровень загрязнения почвы, воды и воздуха постоянно растет. Например, в 2021 году российские предприятия выбросили в воздух 17,2 миллионов тонн загрязняющих веществ, что на 256,2 тысяч тонн больше, чем в предыдущем году. Одной из основных причин возникновения большого количества выбросов являются выхлопные газы, образующиеся при сжигании нефтяных топлив. Именно поэтому необходимо принять меры по уменьшению количества выбросов от автомобильного транспорта.

На данный момент применяется сразу группа методов для снижения количества вредных выбросов от транспортных средств: большое количество автомобильного транспорта переходит от двигателей внутреннего сгорания на электродвигатели; вводятся новые стандарты, предъявляемые к качеству нефтяного топлива и ограничивающие количество выбросов при сжигании топлива в двигателях; продолжается применение различных каталитических нейтрализаторов, установленных непосредственно перед выбросом газов из выхлопной трубы автомобиля; многие страны используют более экологичные виды топлива. В таблице 1 представлены преимущества и недостатки каждой из перечисленных групп.

Таблица 1

Преимущества и недостатки методов снижения количества загрязняющих веществ при работе

	Каталитическая нейтрализация	Альтернативные виды двигателей (электромобили)	Экологичные виды топлива
Преимущества	— уже используются	— отсутствие нефтяного топлива	— возобновляемое сырье — возможность использования в существующих двигателях — улучшение эксплуатационных показателей топлива
Недостатки	— недостаточное снижение концентрации вредных веществ — дорогостоящие	— утилизация аккумуляторов — дорогостоящие	— отсутствие производств больших объемов в России

Наиболее рациональным и экономически обоснованным решением представленной проблемы может служить использование биодизельного топлива в автомобилях с дизельным двигателем. Топливо представляет собой смесь эфиров жирных кислот, одним из способов получения которой является реакция переэтерификации растительных масел или животных жиров с низшими спиртами в присутствии катализатора. Целью работы является рассмотрение возможности использования биодизельного топлива (БиоДТ) в качестве способа снижения количества выбросов в атмосферу.

Как известно, биодизельное топливо обладает схожими свойствами с дизельным топливом, однако имеет ряд преимуществ, одним из которых является экологичность топлива. Исследования показывают, что выбросы парниковых газов при использовании чистого биодизельного топлива снижаются на 74 % по сравнению с дизельным топливом [3]. Это связано с тем, что в качестве сырья для синтеза БиоДТ выступают масла или жиры, образованные живыми существами в течение своего жизненного цикла при поглощении углекислого газа из воздуха. После сжигания топлива углекислый газ возвращается в атмосферу и вновь используется для последующего выращивания сырья. Кроме того, при попадании в почву или воду БиоДТ разлагается практически на 99 % [4, 5].

Стоит отметить, что БиоДТ обладает рядом физических свойств, достойных внимания: хорошая смазывающая способность (практически при полном отсутствии серы и сернистых соединений), высокая температура воспламенения (порядка 120 °С), что обеспечивает безопасное хранение и транспортировку, цетановое число более 51 пункта (топливо можно использовать без дополнительных инициирующих присадок) [6]. К недостаткам топлива можно отнести неудовлетворительные низкотемпературные свойства (температура застывания около -5 °С), а также невысокая химическая стабильность, из-за чего возникает необходимость в использовании топлива в течение 3–4 месяцев со дня его производства [7].

В проведенных исследованиях [8] показано, что применения БиоДТ является эффективным способом снижения выбросов парниковых газов. Применение биотоплива способно уменьшить выбросы парниковых газов в 3,5–4,6 раза; снизить ущерб окружающей среде на 15–16 %; уменьшить затраты с учетом экологического ущерба на 40 % по сравнению с нефтяным топливом. Однако при производстве БиоДТ наблюдается увеличение затрат энергии в полном цикле на 10–20 % по сравнению с ископаемым топливом.

В следующих исследованиях [9, 10] экспериментально показано, что применение биодизельного топлива позволяет снизить содержание в отработанных газах двигателя таких токсичных компонентов, как угарный газ, оксиды азота и сажи.

Несмотря на то, что во многих работах описано ухудшение некоторых параметров качества биодизельного топлива по сравнению с нефтяным гидроочищенным дизельным топливом, если использовать данный вид топлива в смесях с гидроочищенным дизельным топливом, было отмечено в работах [11] улучшение смазывающей способности топлива — одного из важных параметров, отвечающего за ресурс двигателя.

Необходимо уделить внимание работе [12], где характеристики выбросов двигателя, работающего на биодизельном топливе, оцениваются с помощью применения искусственных нейронных сетей. Прогресс не стоит на месте, поэтому в ближайшее время представится возможным точное прогнозирование количеств выбросов вредных газов в атмосферу при использовании различных типов сырья при производстве биодизельного топлива.

Таким образом биодизельное топливо является перспективным источником возобновляемой энергии с точки зрения улучшения экологической ситуации на планете по сравнению с использованием нефтяных топлив. БиоДТ позволит снизить количество вредных выбросов в атмосферу при продолжении проведения исследований в области топлив с улучшенными экологическими свойствами.

Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (FSRW-2023–0002 Фундаментальные междисциплинарные исследования недр Земли и процессов комплексного освоения георесурсов).

Литература:

1. Кутузова М. В. Оценка влияния состояния окружающей среды на уровень жизни населения региона (на материалах Омской области) // Фундаментальные исследования, 2013. № 10–3. С. 636–640.
2. Брацук А. А., Яншина Э. Р., Иванова Л. А. Анализ статистики вредных выбросов в атмосферный воздух // Научный журнал, 2016. № 12. С. 38–40.
3. Белозерова Н. Е., Торчакова О. М., Богданов И. А. и др. Исследование целесообразности использования биодизельных топлив в качестве смесевого компонента товарных дизельных топлив // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология, 2022. № 1 (40), Т. 12. С. 130–140. https://doi.org/10.21285/2227–2925–2022–12–1–130–140 .
4. Чернова Н. И., Киселева С. В., Попель О. С. Эффективность производства биодизеля из микроводорослей // Теплоэнергетика. 2014. № 6. С. 14–21. https://doi.org/10.1134/S0040363614060010.
5. Сноре М., Маки-Арвела П., Симакова И. Л., Миллюойа. Ю., Мурзин Д. Ю. Обзор каталитических методов производства биодизельного топлива из натуральных масел и жиров // Сверхкритические флюиды: теория и практика. 2009. № 1. Т. 4.С. 3–17.
6. Гафуров Н. М., Хисматуллин Р. Ф. Физико-химические характеристики биодизельного топлива в соответствии принятым стандартам // Инновационная наука. 2016. № 5–2 (17). С. 71–72.
7. Громаков А. В., Филь А. В. Технические и организационные вопросы использования биодизеля на водном транспорте // Эксплуатация морского транспорта. 2021. № 2 (99). С. 87–94.
8. Звонов В. А., Козлов А. В., Теренченко А. С. Исследование Эффективности применения в дизельных двигателях топливных смесей и биотоплив // Российский химический журнал. 2008. № 6. Т. 52. С. 147–151.
9. Юрлов А. С. Влияние метилового эфира рапсового масла на дымность отработанных газов дизельных двигателей (часть 2) // Вестник вятского ГАТУ. 2023. № 4 (18). С. 215–229.
10. Марков В. А., Иващенко Н. А., Девянин С. Н. и др. Использование биотоплив на основе растительных масел в дизельных двигателях // Инженерный журнал: наука и инновации. 2012. С. 74–81.
11. Eremeeva A. M., Kondrasheva N. K., Khasanov A. F., Oleynik I. L. Environmentally Friendly Diesel Fuel Obtained from Vegetable Raw Materials and Hydrocarbon Crude // Energies. 2023. Vol. 16, no. 5. https://doi.org/10.3390/en16052121 .
12. Patnaik S., Khatri N., Rene E. R.. Artificial neural networks-based performance and emission characteristics prediction of compression ignition engines powered by blends of biodiesel derived from waste cooking oil // Fuel. 2024. Vol. 370. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2024.131806.