Използване на биогорива в селскостопански машини

Пазарът на биогорива се развива в цял свят. Търсенето расте и може да се говори дори за дефицит. В България тенденциите са същите. Напоследък бизнесът с биогорива привлича все повече интереса на земеделските производители. Те могат да се включат в него по няколко начина - като отглеждат енергийни култури, като използват технологии за производство на биогорива и като прилагат биогорива в ролята на алтернативни горива в селскостопанската си техника. В Германия, САЩ и други, предимно европейски страни карат селскостопанската си техника с чист биодизел – В100. Етанолът е по-популярен в Северна и Южна Америка. Стимули за навлизане на биогоривата като алтернативно гориво за селскостопански машини са политиката на ЕС, цените на биогоривата и техните екологични и енергийни качества. Отделните видове биогорива предлагат различни опции за приложение в селскостопански машини.

Биогоривата са обещаваща алтернатива за преодоляване на зависимостта от изкопаеми горива в селскостопанския сектор. С оглед на прогнозите за недостиг и повишаване на цените на изкопаемите горива, климатичните промени и необходимостта от нови доходи и възможности за заетост в селските райони, биогоривата заеха централно място в политическите дебати и платформите за икономическо развитие. Те са и в основата на практиките за устойчиво управление на селското стопанство.

Разнообразие, получаване и предимства на биогоривата
Биогоривата се получават от биомаса и могат да бъдат твърди, течни или газообразни. Те се изгарят за производство на топлинна или електроенергия. Акцентът на настоящия материал е върху тези биогорива, които могат да се използват като гориво в двигателите с вътрешно горене на селскостопански машини. Те включват биодизел и естествени растителни масла от маслодайни растения (рапица, слънчоглед, камелина, соя), биоетанол от възобновяеми суровини, източници на лигнин, целулоза и нишесте (житни култури, захарно цвекло, картофи), биогаз от ферментация и термохимично третиране на органична материя, синтетични горива – Syn Fuels, получени при газификация на биомаса и водород, добиван от биомаса с термохимични и микробиологични процеси.

Биогоривата представляват възобновяеми суровини от преработена биомаса и като такива имат положителен ефект върху забавяне на изчерпването на изкопаеми горива. Екологичното влияние от производството и използването на биогорива е комплексна оценка от всички възможни въздействия върху околната среда през целия цикъл. Изследвания показват, че при правилно управление на този цикъл биогоривата водят до намалени емисии то въглероден диоксид и намален парников ефект. Тъй като обикновено биогоривата се произвеждат и използват в един и същи регион, разходите за транспорт се съкращават, а регионът става енергийно независим, и с по-добра икономическа и социална среда.

По своите свойства, технически изисквания за приложение и икономически ефекти разнообразните биорогирва показват различния. Според настоящото ниво на развитие на качествата на биогоривата и възможностите им за използване като горива в селскостопанска техника, най-голям потенциал имат бидизела, растителното масло, етанола/ЕТВЕ, биометана и BTL-горивата, като навлиза и водорода.

Употреба на естествени растителни масла в качество на гориво за селскостопански машини
Растителните масла имат високо енергийно съдържание, калоричността им е малко по-ниска от тази на петролния дизел и са подходящи за гориво за двигатели за вътрешно горене. Те представляват въглеводородни вериги, съдържащи водород, кислород и въглерод във вид на триглицериди – естери на три мастни киселини с глицерин. Има и придружаващи вещества като фосфолипиди и стеарини. Колкото по-голямо е съдържанието на свободни мастни киселини, толкова по-ниска е температурата на възпламеняване, т.е. най-ниската температура, при която веществото отделя запалими пари. Рапичното масло има температура на възпламеняване 230оС, а дизелът - 55оС. При 40оС рапичното масло има вискозитет 10 пъти по-голям от този на дизела, което означава че е по-трудно течливо. През зимата растителните масла можа да се сгъстят до такава степен, че да не могат да се изпомпят и впръскат. Само след достигане на високи температури вискозитетът им се доближава до този на дизела. Ако се използват в традиционни дизелови двигатели, мастните киселини могат да образуват нагар по стените на горивната камера, да запушат дюзите за впръскване и да блокират буталните пръстени. Поради тези различния растителните масла не могат да се използват в традиционните дизелови двигатели без допълнителна обработка.

Днес произвежданите дизелови двигатели могат да се приспособят за използване на растителни масла като се върнат в по-първичния си вид, тъй като двигателят на Дизел, представен през 1900г. е работел с естествено фъстъчено масло. Такова преобразуване на двигатели се предлага от специализирани центрове за предкамерни двигатели, двигатели с директно впръскване и системи помпа-дюза. Преобразуваните системи могат да са с един и с два резервоара. Освен приспособяване на традиционни дизелови двигатели, съществува и алтернатива от специално разработени двигатели, които работят с течно растително гориво със специфични качества. Те могат да са предкамерни и с директно впръскване. Двигателите, специално разработени за работа с растителни масла, са все още рядкост, а приспособяването на конвенционалните се оказва по-скъпо от приспособяването на горивото, т.е. използване на боидизел. Въпреки това икономическата рентабилност на всяко решение се определя според специфичните обстоятелства на всеки конкретен случай.

Има фирми, които предлагат системи за захранване на дизелови двигатели с растителни масла. Конструирани са както двигатели за селскостопански машини, работещи изключително с растителни масла, така и системи за допълнително вграждане, позволяващи използването на растителни масла като гориво от стандартни дизелови двигатели. Изменените дизели имат подходящи дюзи, подгреватели, променени нагревателни свещи и редица други специални устройства, благодарение на които е възможна безпроблемна употреба на растителни масла в ролята на гориво. Растителните масла трябва да се нагреят предварително, защото са по-гъсти от дизела. Едва тогава преминават през специални дюзи, които ги разпръскват по подходящ начин.

Биодизелът като гориво за селскостопански машини
В стремежа растителните масла да се доближат максимално до петролния дизел, се използва технология на преестерификация, при която глицеринът се отделя от молекулата, а мастните киселини се естерифицитар с метанол. Така се получава биодизелът – метилов естер на растителна мазнина (РМЕ). Суровините са биоразградими, възобновяеми енергийни източници и на разположение във всяка страна. Освен от маслодайни култури, биодизел може да се получи от мазнини, които са вторичен продукт от някакъв друг процес, например растително масло за готвене от ресторанти. Най-често в Европа се използват рапично масло и метанол, получен от нефт.

Вискозитетът на биодизела е съвсем малко по-висок от този на пертолния дизел и затова може да се използва в съвременни впръскващи системи и дизелови двигатели. Освен това има високо цетаново число и при изгарянето му се отделят с една трета по-малко твърди частици в сравнение с минералния дизел. Тъй като температурата на изгаряне на биодизела е по-висока от петролния дизел, се отделят повече азотни окиси. За да се спазят европейските норми в това отношение, се използват сензори за гориво, които регулират съотношението между двата вида гориво (биодизел и петродизел) в оптимални нива при впръскване.

Биодизелът може да бъде изгорен като чисто гориво, или в смес с дизелово гориво с петролна основа, например смес от 20% биодизел и 80% петродизел се бележи като В20. Най-новите дизелови двигатели могат да използват чист биодизел (В100), но в повечето случаи биодизел се използва в комбинация със стандартното дизелово гориво. Това гориво може да работи във всеки дизелов двигател без или с малко промени. Тъй като биодизелът е разтворител, може да отдели наслагвания от стените на резервоара и тръбите, натрупани от конвенционалното дизелово гориво, и да запуши филтрите. Затова се препоръчва по-честа смяна на филтри и използване на горива, отговарящи на спецификациите на биодизел. Свойствата на петродизела и биодизела варират като граничните стойности са фиксирани в европейски стандарти, така че потребителите получават гориво с дефинирани характеристики.

На европейския пазар има добри решения за използване на биодизел до 100%. Например, всички трактори, пуснати на пазара от брандовете Deutz-Fahr, Same, Lamborghini и Hurlimann, оборудвани с двигатели Deutz вече могат да работят с горивни смеси, съдържащи до 100% биодизел. При тях такова гориво не засяга производителността, надеждността и работата на двигателя в съответствие с действащата нормативна уредба за емисии на отработени газове. Ключът е в системи за впръскване на горивото, които използват инжектори, захранвани от отделни помпи. Други водещи марки на селскостопанска техника, работещата на биодизел са John Deere, New Holland, Case IH, Massey Ferguson, Fendt и Valtra.

Етанолът – още една алтернатива сред биогоривата за селското стопанство
За разлика от предходните два вида биогорива, които са подходящи за дизелови двигатели, биоетанолът работи като заместител в карбураторни двигатели. При двигатели, работещи с бензин употребата на смес от етанол и бензин не се отразява. Всички световни производители на автомобили и техника за селското стопанство считат, че смес от 5-10% етанол и 90-95% бензин е приемлива. Етанолът като гориво се използва най-много в САЩ и Бразилия. В Бразилия количеството на етанол в горивото е над 20%, поради което произведените на местно ниво машини и автомобили имат някои характерни спецификации, а внесените се нуждаят от промени в двигателя и замяна на някои части. Очаква се етанолът да навлиза все повече и в Европа, Китай и Япония. Произвежда се от селскостопански суровини, основно царевица, захарно цвекло и картофи.

Етанолът е висококалоричен, има по-високо октаново число от бензина и като добавка към него подобрява работата на двигателите. Така изгарянето е по-пълно и отпадните газове са по-малко. Ако машините са по-стари и смес от етанол и бензин се използва за първи път, се препоръчва по-честа смяна на горивните филтри. Чистият етанол (Е100) също се използва като гориво, но при специални двигатели, пригодени само за етанол или такива, които могат да работят и с етанол и с бензин (flex-fuel vehicle, FFV).

Селскостопанските машини от флекс-тип имат двигатели, способни да работят с всевъзможни съотношения между двете горива в получените смеси в горивната камера, като впръскването на горивото и момента на запалване се настройват автоматично чрез електронни сензори, определящи състава на горивото. Операторът може да избира по-подходящото гориво във всяка отделна ситуация. FFV двигателите се различават от двугоривните (bi-fuel), при които отделните горива се съхраняват в различни резервоари и двигателя работи само с едното или само с другото гориво (например втечнен газ – пропан-бутан и сгъстен метан). САЩ. Бразилия и Китай предлагат най-много FFV.

В някои европейски страни като Испания и Франция етанолът се преработва в етил тетрабутил етер (ЕТВЕ), който може да замества добиваната от нефт добавка към бензина – метил тетрабутил етер (МТВЕ). Тези добавки предлагат по-добри възможности за качеството на въздуха от етанола. Те предотвратяват характерното за етанола изпаряване на бензина и не абсорбират влага от атмосферата. В Швеция, САЩ и Бразилия етанолът не се преработва, а се смесва с бензина и при високо или 100% участие на етанол се използва във FFV. Чистият етанол се използва почти само в Бразилия. Той има недостатъци – поема влага и се възпламенява по-лошо. В САЩ и Швеция оптималното съдържание на етанол в горивната смес е обикновено 85% (Е85), като през зимните месеци се препоръчват смеси максимум до 70-75% етанол.

Възможности на биометана, синтетичните горива и водорода
Всяко средство, което може да се движи със земен газ, може да използва и биогаз/биометан като гориво. Предлагат се изцяло газови и двувалентни решения. Двигателите при тях не се нуждаят от промени, за да използват биометан. Това бигориво се произвежда основно в селскостопански инсталации при ферментация на торове и растителни отпадъци. Така се получава биогаз, а той съдържа около 55% метан, много близък по качества до природния газ. Отделянето на биометана от останалите съставки на биогаза все още е доста скъп процес. Биометанът се съхранява по-трудно от течните горива и има по-малка енергийна плътност. Негово предимство е че при изгаряне намалява емисиите на въглеводороди и други вредни вещества с 80% в сравнение с бензина и дизела.

Синтетичните биогорива са близки по свойства до дизела и се срещат като BTL (Biomass To Liquid). Получават се при превръщане на растителна суровина в синтезен газ при налягане, топлина и наличие на кислород. След това се синтезират елементи на гориво и се преработват в синтетични горива, близки до бензина или дизела. BTL все още се произвежда предимно в пилотни инсталации и се очаква да навлезе на пазара по-активно през следващите години. Сред всички биогорива за тях се приема, че имат най-голям потенциал. BTL се произвеждат синтетично и затова качествата им могат да се модифицират според нуждите.

Водородът като гориво има качества, които безспорно го определят като гориво на бъдещето. Водородът е наличен неограничено и навсякъде и изгаря без въглеродни емисии, включително въглероден диоксид. Той обаче е силно реактивен и се намира в свързани форми. Тъй като отделянето му от различни съединения става с използване на енергия, рентабилността на приложението му зависи от усъвършенстване на процесите на добив. Водородът може да се използва в два типа двигатели – с горивни елементи с присъединен електродвигател и при модифицирани двигатели с вътрешно горене. Приложим е при бензинови и при дизелови двигатели, но при вторите употребата му не е икономически ефективна. Ако сместа се приготвя външно, конструкцията е опростена, но работния обем на двигателя е малък и горенето е неравномерно. При вътрешно приготвяне на горивната смес пък са необходими по-големи технически разходи.