1. Проблемы использования спиртов и их смесей в качестве топлива для автомобильных двигателей  в России.

Главным виновником загрязнения воздушного бассейна является автомобильный транспорт. На его долю из общего количества вредных выбросов в атмосферу приходится около 20%, в крупных городах 60-80%.

Поиски решения экологических проблем ведутся в двух направлениях:

- нейтрализация образующихся выхлопов;

- изменение компонентного состава топлива для предотвращения образования токсичных соединений.

Однако, оснащение российских автомобилей устройствами нейтрализации выхлопов сдерживается использованием бензинов, содержащих металлосодержащие антидетонаторы, разрушающие катализаторы.

Производство в России автомобильных бензинов с улучшенными экологическими свойствами остается актуальным, так как отсутствуют в необходимом количестве традиционные бензиновые компоненты компаундирования: алкилат, изомеризат, оксигенаты. Большинство НПЗ находятся в эксплуатации от 30 до 50 лет, значительная часть их устарела и нуждается в модернизации. Однако из-за скудости финансирования модернизация и строительство новых установок сдерживаются.

В  России повышение качества бензинов обычно достигается добавлением различных компонентов. Использование более экологически безвредных сортов бензина сдерживается их более высокой стоимостью по сравнению с обычными бензинами. Кроме того, использование некоторых добавок (в первую очередь, содержащих металлы) отрицательно сказывается на работе двигателя. Для окружающей среды  больший вред, чем сам бензин, приносят различные добавки и присадки. Особенно опасны соединения свинца и различные ароматические вещества (бензол).

Поэтому одним из решений проблемы получения таких автомобильных топлив является использование в качестве высокооктанового компонента этилового спирта(этанола или биоэтанола).

Использование этанола в качестве добавки к моторным топливам для двигателей с искровым зажиганием широко известно. Уже в восьмидесятых годах прошлого века началось массовое производство обезвоженного спирта и использование его в бензинах в США, Канаде, Бразилии, ряде стран Европы.

Российская Федерация до последнего времени несколько отставала в решении этих проблем. Причин тому несколько. Во-первых, наличие достаточно дешевой нефти, во-вторых, отсутствие производств абсолютированного этанола из возобновляемых источников сырья и, в третих, отсутствие комплексного подхода к решению данных вопросов.

В России, к сожалению, производство этанола и его смесей пока еще невыгодно, так как «акциз» действует на этиловый спирт, как в чистом виде, так и во всех спиртосодержащих жидкостях. Если литр бензина  А-92 стоит 25 рублей, то литр (условно) Е10( 10%-ая смесь этанола с бензином) будет стоить порядка 40 рублей.

Поэтому до недавнего времени считалось применение спиртов в качестве топлива и их смесей с бензином в автомобилях у нас в России не практичным, невыгодным и малоэффективным. Проблема применения таких видов топлива заключается еще в недостаточной информированности автовладельцев о положительных свойствах спиртов и их смесей. К самым известным свойствам их является повышение октанового числа.

Применение спиртов в автомобилях могло бы улучшить и экологическую обстановку в городах, т.к. уже доказано и известно, что этанол снижает выброс оксида углерода (CO) на целых 30% и  на 50% содержание твердых частиц в выхлопе. Использование 10% смесей этанола снижает выброс парниковых газов на 12-19% по сравнению с обычным бензином, по данным Argonne National Laboratory.

Особенность этанола в смеси с бензином в том, что он обогащает топливо кислородом и обеспечивает более полное его сгорание, что способствует улучшению экологической обстановки, повышению октанового числа топлива и снижению детонации.

Этанол биоразлагаем и не загрязняет природные водные системы. Этанол является возобновляемым ресурсом, в то время как образование ископаемых топлив (уголь, нефть) занимает милионы лет. Производство этилового спирта осуществляется из возобновляемого экологически чистого растительного сырья – отходов переработки древесины, некондиционного зерна, зерноотходов, кукурузы,  картофеля, отходов пищевой промышленности и другой различной биомассы .

Из древесины  необходимо сперва получить целлюлозу, из нее глюкозу, а затем этанол. В частности в дереве находится порядка шестидесяти процентов целлюлозы, тогда как из макулатуры можно получить около девяноста процентов!

Этанол можно производить из любой биомассы. Однако выход этанола из 1 т биомассы будет разным: из картофеля - 100 л, из овса - 320, из ячменя - 380, из пшеницы и ржи - 400, из кукурузы - 420, из риса - 456, из сахарного сорго - 500 л.Кроме того это может быть и выгодно.

По информации Министерства Сельского хозяйства США за 2004 год, этанол содержит на 67% больше энергии, чем требуется для выращивания зерновых и переработки их в этанол. Другие топлива, включая МТБЕ и бензин, требуют больше энергии для своего производства, чем дают.

В  настоящее  время в России создаются предпосылки для развития производства топлива с применением этанола и самого этанола. Делаются некоторые шаги к созданию этой  инфраструктуры.

В своей работе я  решил изучить какие шаги и предпосылки сделаны и делаются у нас в стране, и какие перспективы можно ожидать в ближайшее время. Также я решил изучить опыт зарубежных государств  в производстве биотоплива, сделать исследования о возможности  в Кемеровской области производить этиловый спирт для топлива и на основании этого сделать выводы .

2. Основные шаги решения проблемы применения этанола в виде топлива  и развития его производства  в России.

Слайд 2

Толчком к решению проблемы применения этанола в топливе послужили совместные действия ОАО ВНИИНП и ЗАО НПО «Химсинтез», направленные на создание в России нового (для нас) вида топлива, получившего название БЕНЗАНОЛ. С этой целью с подачи названных организаций в Общероссийский классификатор продукции была внесена отдельная подгруппа 02 5140 «Альтернативные виды топлива», а в составе этой подгруппы выделена позиция 02 5142 «Этанольное моторное топливо с содержанием этанола свыше 5% по объему для двигателей внутреннего сгорания с принудительным зажиганием».

Следующим шагом явилась разработка национального стандарта ГОСТ Р-52201-2004    «Этанольное моторное топливо для автомобильных двигателей с принудительным зажиганием. Бензанолы. Общие технические требования», с датой введения в действие с 1 июля 2004 года. Настоящий стандарт устанавливает основные технические требования к топливам «Бензанолы» (таблица 1), а также основные требования по безопасности и охране окружающей среды. Необходимость создания нового ГОСТа связана с тем, что бензанолы являются самостоятельным видом продукции, отличающимся от бензинов по отдельным техническим характеристикам.

В отличие от показателей качества, нормируемых для традиционных автомобильных бензинов, к бензанолам предъявляются дополнительно следующие требования:

- объемная доля этанола в пределах 5-10%;

- содержание кислорода не более 3,5% масс;

- антикоррозионные свойства (степень коррозии стального стержня);

- фазовая стабильность (температура помутнения).

Кроме того, в связи с использованием в бензанолах этилового спирта, к ним могут применяться специальные меры государственного регулирования их производства и оборота.

Помимо ГОСТ Р 52201-2004 на бензанолы разработаны и утверждены технические условия ТУ 38.401-58-330-2003, где в зависимости от детонационной стойкости предусмотрены три марки бензанолов: БИ-80, БИ-92 и БИ-95, все октановые числа приведены по исследовательскому методу.

Следует отметить, что введение в бензин до 5% этилового спирта не дает того антидетонационного эффекта, который позволил бы получить на базе АИ-92 бензин АИ-95. Использование же до 7-10% этанола позволяет без дополнительных антидетонационных присадок получить прирост октанового числа более чем на 3 единицы. При этом, благодаря более полному сгоранию топлива, количество вредных выбросов снижается на 20-30%.

Одним из недостатков   этанола и бензанолов  связан с повышением коррозионной агрессивности топлива при наличии в их воды.

Наличие в спирте воды может приводить к расслоению топлива и к снижению антдетонационного эффекта за счет абсорбирования спирта водой и снижения концентрации его в топливе. В частности, исследования показали, что в бензанолах недопустимо использование спирта ректификата крепостью 96,5%. Таким образом, для исключения попадания в бензанол воды кроме очевидных мер по его должному хранению необходимо применять только обезвоженный (абсолютированный) спирт с содержанием воды не более 0,1-0,2%.

Первым предприятием в России, успешно производящим абсолютированный спирт из растительного сырья, стало ОАО «Биохим» (Тамбовская область), где совместно с ЗАО НПО «Химсинтез» создана установка азеотропной перегонки спирта в присутствии циклогексана. Производительность этого завода (1500 дал спирта в сутки) позволяет обеспечить изготовление до 50 000 тонн бензанола в год. В настоящее время ЗАО НПО «Химсинтез» совместно с ЗАО «Зернопродукт» (Тульская область) начато создание установки, обеспечивающей обезвоживание до 10 000 дал спирта в сутки путем адсорбции воды на молекулярных ситах. Установка должна быть внедрена до конца года.

В настоящее время ЗАО НПО «Химсинтез» ведется подготовка к промышленному выпуску бензанолов для нужд автопредприятий г. Москвы.

Слайд 3

ООО Научно-Производственная компания "Этанол-КОМ" города Кургана с 2001 года производит и поставляет основное технологическое оборудование для производства этилового и коньячного спиртов, медицинских спиртосодержащих жидкостей - 95%, высокопротеиновых комбикормов, патоки, кормового сахара, кормовых дрожжей.

Компания "Этанол-Ком" производит установки "БКУ-Универсал", где в качестве побочного продукта может выпускаться спиртосодержащая этиловая жидкость "Этанол 95" или "Биоэтанол", которые могут использоваться в качестве октаноповышающих добавок, как для прямогонных, так и для товарных бензинов.

Например, добавление к прямогонному бензину А-68 этиловой жидкости "Этанол 95" в количестве 12% позволяет получить бензин А-80, а в случае использования дополнительных октаноповышающих добавок АИ-92.

Применение в составе установки "БКУ-Универсал" специальных устройств компаундирования "Активатор - октан" позволяет отказаться от обезвоживания спирта (получение биоэтанола) и дает возможность использовать обычный 95% спирт, а также дает возможность снизить расход дополнительных октаноповышающих добавок (в случае их применения), получить высокую стабильность компаундированного бензина.

В  Омской области  начата долгосрочная целевая программа «Строительство комплекса глубокой переработки сельхозпродукции «Биокомплекс» на 2009-2015 годы». Биокомплекс  будет включать  в себя такие производственные мощности, как комбикормовый завод, мясокомбинат, молокоперерабатывающий завод, заводы по производству аминокислот, витаминов, органических кислот, биополимеров,  а также  завод «Биоэтанол».

В заключение следует отметить, что, таким образом, в Российской Федерации предприняты первые успешные шаги по созданию нового для нашей страны вида спиртосодержащего моторного топлива. Но количесиво предприятий выпускающих такой вид топлива еще пока незначительно. К тому же производство этанола 

3.  Особенности производства этанола за рубежом

Основным видом этанольного топлива за рубежом является биэтанол.

Топливный биоэтанол производиться почти также, как и обычный пищевой спирт для производства алкогольных напитков, но есть несколько существенных отличий. Топливный этанол не содержит воды и производится методом укороченной дистилляции (две ректификационные колонны вместо пяти), поэтому содержит метанол и сивушные масла, а также бензин, что делает его непригодным для применения в пищевых целях.

Для производства биоэтанола, предназначенного для добавления в бензин или потребления в чистом виде, традиционно применяют следующие основные виды сырья: в Бразилии - сахарный тростник, в США, Европе - кукуруза, сорго.

Способ производства: все чаще для производства топливного этанола применяется "мокрый" способ производства, в то время как для производства пищевого спирта применяется "сухой» способ.

При "мокром” процессе мы сначала выделяем глютен и крахмал (который направляется на производство этанола), а при "сухом” процессе глютен не выделяется.

Размер завода: средний биозавод производит 150 млн. литров этанола в год (42 тыс. дал в сутки). Некоторые заводы имеют мощность 1 млрд. литров этанола в год (280 тыс. дал в сутки).  В США средним считается завод мощностью 300-400 млн литров биоэтанола в год, в Европе средним будет завод 150-200 млн литров. Строить завод мощностью менее 75 млн литров нецелесообразно.

Пример: Завод мощностью 151 млн литров этанола (42,000 дал/сутки) и 128,000 тонн сухой барды (DDGS). Технология — сухой помол, сырье — кукуруза. Source: Lincolnland Agri-Energy, LLC, an Illinois.

Размер участка для такого завода: 10-16 гектаров (примерно 200 х 500 метров).

Отрасль производства этанола США обеспечила создание и поддержку более 147,000 рабочих мест в 2004, увеличив доходы населения на $4.4 млрд через новые рабочие места и оживление местной экономики.

В 2006 г. США опередили Бразилию, произведя 18,5 млн т биоэтанола из кукурузы и сорго. Благодаря производству этанола США ежегодно экономят около 1,5 млрд долл. на импорте нефти, несмотря на то что стоимость этанола выше стоимости бензина.

По экологическим соображениям и для замены нефтепродуктов производство и потребление этанола растет во многих странах мира. В 2005 г. оно составило около 45 млн м3, из них в США и Бразилии -по 36%, в Азии - 15, в ЕС-6, в прочих - 7%. Прогноз на 2010 г. составляет 90 млн м3, т. е. удвоение производства, из них ожидается в СIIIА - 40%, в Бразилии - 28, в Азии - 17, в ЕС - 9%, в Африке - 1% и в остальных- 5%.

4. Национальные политики стимулирования производства биотоплива

за рубежом

В соответствии с Законом «О возобновляемых топливах для обеспечения энергетической безопасности США» содержание этанола в бензине должно быть увеличено с 1,3 до 5%. При производстве бензина в количестве 380-400 млн т это потребует производства этанола на уровне 15-20 млн т. В США планируется утроить выработку этанола. По инициативе сената использование этанола должно быть доведено до 54,6 млн т в год к 2010г.,до 68 млн т к 2015г. И примерно до 168млнт - в 2020 г. Таким образом, этанол на 25% заменит бензин, сейчас его доля в топливе для автомобилей составляет до 10%. Из валового сбора кукурузы на производство этанола может быть направлено 25% урожая. При использовании высококрахмалистых сортов кукурузы (при 70% крахмала в зерне) из 1 т получают 0,38 т биоэтанола.

В августе2005 года приняли «Энергетический Билль» (Energy Policy Act of 2005), и «Стандарт возобновляемых видов топлив» (Renewable Fuels Standard). Они предусматривают к 2012 году ежегодное производство 30 миллиардов литров этанола из зерновых и 3,8 миллиарда литров из целлюлозы (стебли кукурузы, рисовая солома, отходы лесной промышленности и.т.д.). Во всех штатах расширяется сеть заводов по производству спирта, создаются новые  рабочие места.

В США действует стандарт на биотопливо Е85, в составе которого 85% биоэтанола и 15%  бензина. Под нее сделаны автомобили с системой «Flex-fuel». Пока они распространены в основном  в США (около1,5 миллионов штук).

Бразилия

В 1991 г. была принята программа, предусматривающая обязательное применение 5% этанола в составе бензина. В последнее время Бразилия использует в качестве топлива смеси, в которых содержание этанола составляет уже 26% в бензине и 3,3% - в дизельном топливе.

Франция

Франция является одним из лидеров по производству как биодизеля, так и биоэтанола. С 1992 года Франция установила 100% освобождение от налогов на производство биодизеля и 80% освобождение от налога - на этанол на пилотные проекты. Однако, когда продукция приблизилась к 420000 тонн в 2000 году, это нельзя уже было назвать пилотным проектом. Поэтому ЕК запретила такие льготы во Франции. Были установлены квоты на производство биотоплива на уровне 317500 тонн.

Германия

Германия является одной из 6 стран ЕС, производящих биотопливо на коммерческой основе. Германия и Австрия не имеют ограничений по производству биотоплива. Закон об акцизах на нефть и нефтепродукты (‘Mineralolsteuergesetz') регулирует национальную политику по биотопливу в Германии. Однако это непрямое законодательство для биотоплива, так как закон не имеет отдельного раздела по биотопливу. Спирт и топливо из растительного масла не являются минеральными топливами, и поэтому не подпадают под действие этого закона. Также в законе указывается, что топливо из спирта или растительного масла с максимальным содержанием углеводородов 3% имеет право на освобождение от налогов.

Однако, строго говоря, биотопливо не имеет право на любое освобождение от налогов. Эта ситуация может измениться, так как правительство решило продлить освобождение от налогов на все биотоплива в рамках планируемого дополнения к Закону об акцизах на нефть и нефтепродукты.

Испания

В Испании, политика по биотопливам может быть разделена на национальную и региональную политику. На национальном уровне правил не так много для страны, которая производит биотопливо на коммерческой основе. Есть фискальные меры, которые гарантируют налоговые вычеты для инвестиций в новые капиталовложения, которые будут использовать ВИЭ. Налоговые вычеты составляют 10% от инвестиций. Переработка сельcкохозяйственных и лесных материалов в биотопливо (биодизель и биоэтанол) и нефтепродукты используемые при такой переработке, попадают под этот закон о вычетах.

Развитие биотоплива также попадает под действие Королевского Декрета 1165/95 по финансовым льготам. Этот декрет обеспечивает уменьшенные акцизные сборы. Кроме этого декрета есть другой Декрет 1729/99 о Качестве Топлива, по которому должно проверяется качество биотоплива. В настоящее время этот Декрет применяется только для ископаемого топлива. Стандарты для биотоплива еще не определены.

Национальные программы по производству и использованию биоэтанола действуют и во других многих странах. В 2005 г. производство этанола составило (млн т): в Китае - 3,8, в Индии - 1,7, во Франции - 0,9, в России - 0,75, в Германии - 0,43, в ЮАР - 0,39, в Великобритании - 0,35, в Испании - 0,3.

5. Исследования возможности Кузбасса в производстве биоэтанола

В Кузбассе в настоящее время полным ходом идет развитие сельского хозяйства, в частности производство зерна, картофеля и других культур. По данным СМИ урожайность зерна за 2011 год  в Кузбассе превысила показатели Алтайского края, Томской,  Омской и Новосибирской областей и составила 1 миллион 311 тысяч тонн зерна. Также в нашем регионе много заброшенных и пустующих земель, где можно было выращивать различные крахмалосодержащие культуры.

Количество свободных посевных земель насчитывается около  … гектаров.

Таким образом,  можно произвести  приблизительный расчет производства биоэтанола в нашем регионе, зная производительность основных сельскохозяйственных культур и выход спирта с 1 т биомассы. Расчеты приведем в таблицу.