Alternatív motor hajtóanyagok
Hajtóanyag alternatívák
Domanovszky Henrik
1
2015.02.12.
Motor hajtóanyagok
Kőolaj függőség problematikája
2
2
2015.02.12.
Motor hajtóanyagok Globális primer energiafelhasználás • • •
•
• • •
3
A föld lakossága 7 mrd. (2011 ősz) 2030-ra várható népesség: +20-25 %! Városiasodás folytatódása, tényadatok: 2008-ban a föld minden második lakója városban élt, de az EU-ban 4-ből 3, Németországban a lakosság 88 %-a. Városokra jellemző: nagyobb közlekedési teljesítmény, nagyobb energiafelhasználás. GDP növekedés = energiafelhasználás növekedés 2030-ra várható energiaigény: +33 %! Ezen belül áramigény: +55 %! 3 (74,16 EJ2010-ról 115 EJ2030-ra) 2015.02.12.
Domanovszky Henrik
Motor hajtóanyagok Közlekedés energiafelhasználásának „változatossága” Az évezred végén és az új évezred elején a közlekedés energiaforrása konvencionális: - Vízi közlekedés: bunker gázolaj, forrása: kőolaj - Vasúti közlekedés: elektromos áram, forrása: összetett gázolaj, forrása: kőolaj - Légi közlekedés: könnyű benzin, forrása: kőolaj - Közúti közlekedés: benzin és gázolaj, forrása: kőolaj - marginális (5%) rész jut még: propán-bután, forrása: kőolaj metángáz, forrása: földgáz, biohulladék etanol, forrása: mező- és erdőgazdaság 1000 lakosra eső gépjármű sűrűség: (EERE, 2008-ra vonatkozó stat.)
USA 841,67 EUW 593,2 EUE 300 HU 295 Kína 35,7 India 13,2 Gépjármű állomány 2011-ben: 1 milliárd Személygépjármű állomány prognózisa 2030: + >80 % ~1,5 mrd 4 2050: + >180 % ~2,5 mrd A növekedés fenntarthatósága azon múlik, sikerül-e az energiaforradalmat végrehajtani! 4
2015.02.12.
Domanovszky Henrik
Motor hajtóanyagok Globális kőolaj felhasználás Kőolaj napi felhasználása: 89,6 millió hordó/nap (2011 progn) 33 milliárd hordó/év 202,5 EJ/év Prognosztizált kitermelés növekedés 2030-ra: > 20 millió h/n „Ellenőrzött” készletek: 1343 milliárd hordó = 8222 EJ (OPEC-tagállamok publikus készletei fenntartással kezelendőek)
5
5
2011.01.29.
Olaj kitermelés és felhasználás egyensúlya Domanovszky Henrik
Motor hajtóanyagok Kőolaj lelőhelyek feltárás intenzitása méret és szám szerint Míg a kőolaj készletek valós értékét nehéz biztosan meghatározni, addig a feltárások száma és a feltárt olajmezők méretének alakulása egyértelmű képet mutat. Az újabb kori feltárások egyre drágábban elérhető kőolajat biztosítanak.
6
6
2011.01.29.
Domanovszky Henrik
Motor hajtóanyagok Régiók kőolaj csúcskitermelésének kronológiája
7
Az egyes kitermelő országok termelésének alakulása mutatja, hogy sok helyen elérték már a kitermelés elvi csúcsát.
Évek 7
2015.02.12.
Domanovszky Henrik
Motor hajtóanyagok Kőolaj kitermelés és fogyasztás növekedésének hatása I.
8
8
2011.01.29.
Domanovszky Henrik
Motor hajtóanyagok Kőolaj (és más fosszilis energia hordozók) hatása II. A föld légkörének hőmérséklet emelkedését és a szélsőséges időjárási viszonyok kialakulását, azok gyakoribbá válását az emberi tevékenységgel hozzák összhangba. Az Antarktisz jegét vizsgálva elemezve a kutatók egyértelmű párhuzamot dokumentáltak a légkör CO2 tartalmában és az átlaghőmérséklet alakulásában. A CO2 ingadozás és a hőmérséklet változás ezidáig ciklikusan változott, azonban az elmúlt évtizedekben eddig még nem tapasztalt mennyiségű szén jutott a légkörbe. Közel felével haladja meg a koncentráció a korábbi százezer évek csúcsait.
9
9
2011.01.29.
Domanovszky Henrik
Motor hajtóanyagok
Alternatív hajtóanyagok
10
10
2015.02.12.
Motor hajtóanyagok A hatások eredőjeként alternatívák iránti igény növekvő A fő cél: a kőolaj felhasználásának csökkentése révén a közlekedés, azaz a személyés áruszállítás jövőbeli biztosítása, a fenntarthatóság. Eszközök: Alternatív primer energiaforrások alkalmazása, ezen belül a megújuló források kiaknázása Bioenergia felhasználása Karbon-mentes megújuló elektromos áramforrások: nap-, szél-, vízenergia kihasználása Közlekedés által használt szekunder energiahordozók diverzifikációjának növelése Bioüzemanyag változatok felhasználása Metángáz felhasználás Hidrogén felhasználás Energiahatékonyság javítása Közlekedési mód optimalizálása: mód választás (Modal split) Közlekedési eszköz optimális megválasztása: méret, üzemmód, üzemanyag 11Közlekedési eszköz optimalizálás: jármű és hajtásláncának hatékonyság javítása
11
2015.02.12.
Domanovszky Henrik
Motor hajtóanyagok Alternatívák hatásai Alternatív hajtástól elvárt hatások: Kőolajfüggőség csökkenése, ezzel együtt Energiabiztonság növelése Energiafelhasználás csökkenése Károsanyag-emisszió csökkenése Üvegházhatású gázkibocsátás csökkenése Lehetséges járulékos hatások: Zajterhelés csökkenése Foglalkoztatás növekedése Helyi gazdaságok jövedelemtermelő képességének emelkedése
12
12
2015.02.12..
Domanovszky Henrik
Motor hajtóanyagok WTW, WTT, TTW kibocsátás értelmezése A globális felmelegedéssel szemben folytatott küzdelem, más néven a üvegházhatású gázok légköri koncentrációjának csökkentése érdekében hozott megszorító intézkedések (pl.: kyotoi egyezmény, 2009/28/EK Direktíva) szükségessé teszik a kibocsátás teljes körű, objektív kimutatását. Ezért meghatározandó a CO2 ekvivalensben mért üvegházhatású gáz kibocsátás: a jármű hajtása által = TTW (tank-to-wheel) az energiahordozó rendelkezésre állítása által = WTT (well-to-tank) a teljes 13 körfolyamat által = WTW (well-to-wheel)
CO2 ekvivalens: a globális felmelegedés előidézésében aktívnak ítélt gázok, felmelegedésre kifejtett a CO2-hoz viszonyított hatása. Pl.: 1 kg CH4= 23 kg CO2, 1 kg N2O=296 kg CO2.
WTTátlag fosszilis üzemanyagokra CO2 = 83,8 g/MJ 13
2015.02.12.
Domanovszky Henrik
Motor hajtóanyagok TTW CO2 emisszió A karbon tartalmú üzemanyagok a tökéletes égés során CO2 molekulákká formálódnak: az üzemanyag elégetéshez teoretikusan szükséges levegő mennyiség:
Az égéshez teoretikailag szükséges oxigén tömege m:
üzemanyag, ahol C, H, O, S ezen elemek tömege az üzemanyagban.
200
CO2
g/km, a hatályos mérési ciklus átlaga szerint
180
A TTW CO2 emisszió nagyságát befolyásolni képes minden fogyasztáscsökkentő intézkedés: 160 járműtechnológiai, vezetési szokásbeli, közlekedés 140 szabályozásában hozott változtatás. Ezek közé tartozik a flottakibocsátás korlátozás, amely az egyes 120 járműgyártók által értékesített autóinak az átlagos CO2 emisszióját korlátozza. Európai előírás személyautókra100 2020-ra 9514g CO2 kibocsátást irányozza elő:
Átlagos szgk. flottakibocsátás változás az EU-ban 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020
80
14
2015.02.12.
Domanovszky Henrik
Motor hajtóanyagok Karbonmentes és CO2 semleges hajtóanyagok Karbonmentes az olyan üzemanyag, mely nem juttat a légkörbe üvegházhatású széndioxidot. Mai ismereteink szerint ilyen a hidrogén, valamint az elektromos hajtás, de mindkettő csak TTW szemlélet szerint, WTW – azaz teljes körfolyamatra – csak akkor teljesül, ha a primer energiaforrás is karbonmentes (nap, szél, víz, atomreaktor (megállapodás szerint)). CO2 semlegesnek nevezzük azokat a karbon tartalmú üzemanyagokat, melyek elégésük során új szént nem visznek a légkörbe. A szén körforgásnak természetesen van ráfordítása és ezek egymástól eltérő értékek, így a különböző forrású megújuló üzemanyagok CO2 csökkentő képessége sem egyforma.
15
15
2015.02.12.
Domanovszky Henrik
Motor hajtóanyagok Emisszió csökkentés kőolaj alapú üzemanyagok adalékolásával A benzinhez és a gázolajhoz kevert bioüzemanyag részarányát a jelenleg hatályos törvény 4,8 térfogatszázalékban írja elő, az EU 2010-es célérték pedig 5,75 %. Ez utóbbi várható, hogy lassan 7 %-ig emelkedik. Bár kis lépésnek tűnik, de a jelenlegi szint is 8 PJ (1015 J) nagyságrendű energiafelhasználás. A bekeverés mellett kapható az E85 néven árult etanol üzemanyag, mely mintegy 85 százalékban (szabvány szerint 70-86 %) tartalmazza az etanolt (etil-alkohol C2H5OH) és 15 százalékban benzint és adalékokat. Egyes piacokon (pl. Brazília) tiszta etanol is kapható. A bioüzemanyagok használatakor azonban számos probléma merül fel. Az egyik jármű oldali, az alkohol agresszívabb viselkedése miatt, melyhez az üzemanyag rendszer gumi és műanyag alkatrészeinek ellenálló képességére van szükség. A benzinnel szemben az etanol vízfelvevő és megtartó képessége miatt, a szállítási-tárolási lánc bármely részén korróziós folyamat indulhat el. Ezen felül a befecskendező rendszerben, sőt a hengerek falánál is adaptációt igényel az etanol benzinnél rosszabb kenőképessége. Az autók egy részénél nem növelhető vég nélkül a benzin (E5) bekeverési aránya. Nagyobb alkoholarányhoz az alacsony energiatartalom miatt a befecskendező rendszernek jelentősen nagyobb szállítóképességgel kell rendelkeznie. Cserébe az etanol kedvezőbb CH és CO emissziós (nyers) értékeket produkál, míg a fejlett elektronikával, katalizátorral rendelkező motoroknál ez az előny a múlté, az oktánszám növelő tulajdonsága viszont továbbra is hasznos. A biodízel 16fajták önmagukban más és más égési tulajdonságot nyújtanak, ezért a gázolajra beállított motort adaptálni kell. Előny, hogy a policiklikus aromások nélküli biodízelek karcinogén hatása jóval alacsonyabb a kőolaj származásúnál. 16
2015.02.12..
Domanovszky Henrik
Motor hajtóanyagok Alternatív üzem
17
Alternatív hajtóanyagok
Alternatív hajtásláncok
fosszilis: - CNG, LNG = földgáz - hidrogén földgázból v. hálózati áramból vízbontással - autógáz (LPG) = propán-bután gáz megújuló (1. gen. bioüzemanyagok): - termény alapú etanol - repce és napraforgó alapú biodízel és FAME - biogáz fejlett bioüzemanyag (2. generáció): - NExBTL - biometán syngasból - etanol syngasból - hidrogén syngasból - Fischer-Tropsch gázolaj, Sundiesel, benzin, könnyűbenzin, kerozin - DME - olajfák magvaiból nyert növényi olaj -17 algaolaj - Bio n-butanol - Metiltetrahidrofuran = MTHF
hajtómű: - szikragyújtású gázmotor (Bi-fuel) - kompresszió gyújtású gázmotor (Dual-fuel) - változó keverési arányú etanol képes szikragyújtású motor (flexfuel, v. E85) - tiszta alkohol motor (E100) - kompresszió gyújtású etanol motor (ED95) - biodízel képes motor (E22-E100) - szikragyújtású hidrogén motor (szívócső és kísérleti darab közvetlen befecskendezéssel) hajtás elektromos rásegítéssel (hibrid): - párhuzamos hibrid - teljesítmény megosztó hibrid - soros hibrid tisztán elektromos hajtás: - tisztán akkumulátoros (EV) - növelt hatótávú el. (PHEV, REV) - tüzelőanyag-cellás autó (FC)
2015.02.12.
Domanovszky Henrik
Motor hajtóanyagok Bioüzemanyagok első generációja Bioetanol: cukor tartalmú növényekből vagy gabonából készül, legnagyobb arányban a benzin adalékolására használják Otto-motorok hajtásához. A teljes benzin felhasználás 2 %-át adja. (Folynak kutatások az etanol kompresszió gyújtású motorokban történő égetésére is, pl. Scania - ED95-ös üzemanyag) Legnagyobb hazai előállító: Hungrana Biodízel: zöldségolajokból és állati zsírokból állítják elő, általában egy sor zsiradékos metil vagy etil észter-savvá konvertálás után, habár korábban, mint kezeletlen nyers olaj használták. Ásványi dízel adalékolására, kompressziógyújtású motorok üzemanyagaként használva, körülbelül 0,2 százalékát adja a teljes gázolaj felhasználásnak. Hazai termelő: Rossi (MOL) Biometán: lehet kommunális szemétből képződő gáz, vagy olyan biogáz, mely szerves hulladék beleértve az állati eredetű trágyát is - anaerob fermentálásával (légmentes erjedés) képződik. A nyers gáz átszűrhető (tisztítás és nemesítés) magas minőségű metánban gazdag 18 üzemanyagot állítva elő, mely nagyon hasonlatossá válik a vezetékes földgázhoz. Hazai példa: Zalaegerszeg, 2012. 18
2015.02.12.
Domanovszky Henrik
Motor hajtóanyagok Bioüzemanyagok első generációjával szembeni aggályok o o o o o o
1. Emelkedő élelmiszer árak. 2. Relatív alacsony üvegházhatású gáz nyereség, vagy akár a teljes ciklusra vetítve nettó növekedés is 3. Magas széndioxid semlegesítési költség 4. Folyamatos és jelentős állami költségvállalás a bioüzemanyagok gazdaságilag életképességéért 5. Direkt és indirekt befolyása a termőföld használatának változásában és ezzel összefüggésben az üvegházhatású gáz kibocsátásban. 6. Direkt és indirekt befolyása a vízkészlet változásban. Bármely 1. generációs bioüzemanyag esetében természetesen nehézkes ezen pontokat teljes mértékig cáfolni. Kivételt ez alól csak a cukornád képez, melyet már a Brazil példa alapján néhány afrikai és dél-amerikai országban is sikerrel termesztenek. Fejlettebb módon, a 2. generációs bioüzemanyagok annak a lehetőségét ígérik, hogy a parlagon lévő területek és apró, alacsonyrendű parcellák bevonásával, nem pedig az élelmiszer 19 célú nagy területek elvonásával lehet majd a terményszükségletet – a biomasszát – biztosítani. Kulcskérdés a termőföld hozamának további növekedése.
19
2015.02.12..
Domanovszky Henrik
Motor hajtóanyagok A 2. gen. bioüzemanyagok fejlesztése előtt álló feladatok A 2. gen. bioüzemanyagok technológiájának sikeres tömegméretűvé fejlesztése, szignifikáns előrelépést kíván meg számos területen; jelenleg még akadályt jelent a technológiai finomításával együtt járó óriási költség, mely egy 2. gen. üzem beruházását legalább egy nagyságrenddel teszi drágábbá, mint egy 1. gen. üzemét. A főbb fejlesztendő területek az alábbiak: 1. A termények hatékonyabb megértése, az alapanyagköltség csökkentése, és az energia növény fejlesztése 2.
3.
4. 20
A biokémiai út technológiájának fejlesztése, a termény előkészítése, enzimek és hatékonyság növelése, valamint költségcsökkentés tükrében A termokémiai út technológiájának fejlesztése, a termény előkészítése, enzimek és hatékonyság növelése, valamint költségcsökkentés tükrében 20 Melléktermék és eljárás integráció 2015.02.12.
2. gen. üzemek a világban
Domanovszky Henrik
Motor hajtóanyagok Ligno-cellulóz alapismeretek Ligno-cellulóz botanikus kifejezés olyan fás vagy rostos növényi eredetű anyagot takar, mely lignin, cellulóz és félcellulóz polimerek heterogén mátrixú összekapcsolódásából áll. A cellulóz és a félcellulóz együttes tömege a növényi anyagában fajtánként eltérő arányú, de általánosságban 50-75 %-a a teljes száraz tömegnek, míg a maradék lignin. A cellulóz egyenes láncú glukózokból álló polimer. A félcellulóz heterogén, mely polimer túlnyomóan xylóz és arabinóz pentózokból és hexózokból áll. A lignin számos fenol komponensből áll melyek a hidrolízis és a cukrok fermentálása során inhibitorként léphetnek fel, azaz a 21 konverziós folyamatot nehezítik.
21
2015.02.12.
Domanovszky Henrik
Motor hajtóanyagok Ligno-cellulóz alapismeretek •
A mezőgazdasági eredetű termény és hulladék, részben a héj gyakran jelentős mennyiségben kínálja a legalacsonyabb költségű ligno-cellulóz forrást. A héjak, a fafeldolgozó hulladékához hasonlóan, koncentráltan keletkeznek a feldolgozóüzemeknél, amíg más források – mint például a szecska – begyűjtést igényelnek. Egyes növények többféle termék együttes feldolgozását nyújthatják. A repce ültetvény feldolgozásával például sütő olaj, nagy protein tartalmú disznó és baromfi táp keletkezik, de ezen felül a szár 2GBÜ előállításának is alapanyaga.
•
A ligno-cellulóz összetétel viszonylagosan nem mutat nagy változatosságot az eltérő mezőgazdasági termények esetében. Például az európai és észak-amerikai gabonaszár cellulóz tartalma is a száraz tömeg 35-40 százalékát teszi ki, a félcellulóz 26-27, míg a lignin a 15-20 százalék közé esik. Ehhez jön még némi nem organikus összetevő, mint salak és silica 10-20 %-os, fás növény esetén pedig 2-5 %-os mennyiségben.
22
22
2015.02.12..
Domanovszky Henrik
Motor hajtóanyagok Biomassza feldolgozás biokémiai eljárással •
•
•
23
A biokémiai konverzió biológiai hatóanyagokat használ: specifikált enzimeket és mikroorganizmusokat a ligno-cellulóz szerkezetének alap polimerekké bontásához. A következő lépés a cellulózok és félcellulózok, beleértve a glükózt és xilózt önálló cukrokká bontása. Ezek a cukrok fermentálhatók etanollá. A folyamathoz alapanyagként használható a mezőgazdasági és erdészeti biomassza, de még számottevő potenciális forrás lehet a városi kommunális hulladék (MSW: Municipal Solid Waste) újrahasznosítása is. A biokémiai eljárás három alapműveletből áll – az előkészítés, az enzimes hidrolízis és a fermentáció. Az előkészítés lépései között az alapanyag betakarítás, a kezelés, a feldolgozás és szállítás, a biomassza kis és homogén részekké aprítása, a polimerek feldarabolása, az alap lignin komponensek szétválasztása és a végtermék visszanyerése. Az enzimes hidrolízisen áteső cellulózból hexózok, mint pl. glükóz képződik, a félcellulózokból pedig pentózok, zömében xilóz jön létre. Ezáltal a termény teljes mértékig felhasználódik. Ez teoretikailag különböző termékek együttes előállítását teszi lehetővé, azonban az eltérő iparok eltérő termékeket helyeznek a középpontba emiatt a bio-finomítók termékválasztéka a lehetségesnél szűkebb. Az energia tartalom a ligno-cellulóznál mintegy 20 GJ/száraz tonna. Ha az eljárás hatásfokát nézzük, az 1 tonnából kinyert 2,3-2,6 GJ üzemanyag mindössze 12-15 százalékos minimumot és közel 35 százalékos maximumot jelez a 6,3 GJ hozam esetén. Utóbbi 23 a ligno-cellulóz 70 százaléknyi szénhidrát tartalmának elvileg maximális konverziós hatásfokát tükrözi. A szénhidrát-etanollá folyamat egyenlege tehát – laboratóriumi körülmények között – 51 százalékos hatásfokú. 2011.01.29.
Domanovszky Henrik
Motor hajtóanyagok Biomassza feldolgozás termokémiai eljárással •
•
•
24 •
Szemben a biokémiaival, a termokémiai eljárás a bioüzemanyag termelésnél zömében meglévő, több évtizede használt technológiákra alapoz. Eredetileg az eljárás a szénből folyékony üzemanyaggá és vegyszerekké konvertálására fókuszált (ez a termelés ismét előtérbe kerülhet a kőolaj drágulásával), de jelenleg a leggyakoribb kutatási területe a földgáz készletek felhasználásával kapcsolatos. Ide tartozik a biomassza folyadékká (BTL) konvertálása is. A termo-kémiai eljárás része a szintézis gáz (syngas) előállítás, melyet többnyire a FischerTropsch (FT) eljárás alá vonás előtt tisztítanak, majd egy sor folyékony üzemanyag változatot állítanak elő. A termo-kémiai út a mezőgazdaságból származó száraz ligno-cellulóz alapanyagot, erdészeti terméket, vagy kommunális hulladékot, levegő (vagy oxigén) jelenlétében hőkezelés során választja szét, így az elgázosítással syngas temelődik. Ez a szintézis gáz főként CO-ból és H2-ből áll, valamennyi CO2 és metán, valamint magasabb karbon összetevők kíséretében. A generált gázokat kitisztítják eltávolítva a kátrányt, majd átszűrik és a tiszta gázt használatra készen összegyűjtik. Felhasználható kémiai építőkockaként, egy sor üzemanyagfajta formájában, vagy ipari kemikáliaként, beleértve a hosszú szénláncú szintetikus dízelt és a repülőgép üzemanyagot. Ez a BTL eljárás pirolízis, gázosítás és katalitikus konverzió elemeiből áll össze. A pirolízis (melegítés oxigéndús környezetben 24 főként bio-olaj előállítási céllal) és a gázosítás az áramtermeléshez és a katalizálástól független hőtermeléshez energiabevitelként is jelenik meg. A végtermékek potenciális köre bővülhet, ahogy a teljes platformot egy bio-finomítóban implementálják. 2011.01.29.
Domanovszky Henrik
Motor hajtóanyagok Termokémiai eljárásból származó végtermékek
25
25
2015.02.12.
Domanovszky Henrik
Motor hajtóanyagok Termokémiai eljárásokról •
•
•
• •
26
Az FT szintézissel előállított biodízel magas minőségű termék cetánszáma és alacsony a kén tartalma miatt, energiasűrűsége hasonló a konvencionális kőolaj gázolajhoz. Szintetikus könnyűbenzin és más közép desztillátumok előállításának lehetősége úgyszintén nagyon ígéretes. Nem kevésbé attraktív lehetőség a növekvő mennyiségben előállított nehéz kőolaj fajták ilyen könnyebb biotermékekkel való keverése. Ökölszabály szerint: a magas hőmérsékletű FT szintézis szintetikus benzin és kemikáliák gyártásához vezet; az alacsony hőmérsékletű FT szintézis viaszos termékeket ad, melyet krakkolással szintetikus könnyűbenzinné, kerozinná vagy gázolajjá lehet alakítani. Az eljárás számos addicionális melléktermék képzésének lehetőségét nyújtja. Minden syngas komponens (CO, CO2, CH4, H2, és így tovább) szeparálható. A volatilis kátrány komponens – mely technikai akadályként léphet fel a nagyüzemi termelés előtt – a szétválasztás lehetőségének köszönhetően egyes cégek számára (amilyen a Choren, az Ensyn és az Enerken is) mint értékes kemikália válhat alapanyaggá. Az előkészített alapanyagok elgázosítása részben a reaktor égésterében 700-1500°C hőmérsékleten (tipikusan 850°C) korlátozott oxigén környezetében történik. Alternatív módon az eljárást meg lehet fékezni a pirolízis lépcsőjénél (felfűtve 450-600°C-ra oxigén 26 jelenléte mellett), ekkor elsősorban folyékony biodízel nyerhető, de képződhetnek gáz halmazállapotú és szilárd termékek is. 2015.02.12.
Domanovszky Henrik
Motor hajtóanyagok CHOREN termokémiai eljárása Technikailag a legfejlettebb biomassza gázosítási/FT eljárás a bioüzemanyag előállítására valószínűleg a CHOREN-é, aminek 45 MW demonstrációs freiburgi üzeme (Németország) eléri a megkívánt konverziós hatásfok szintet.
A „Carbo-V” 3 lépcsős gázosítási eljárást, mely a gázosítás és alacsony hőmérsékletű szenesítésen alapul, ezt vörösen izzó szén felett a CO2 és H2O redukciója követi. Az eljáráshoz szükséges hő egyszerűen a biomassza részleges elégetéséből származik.
27
27
2015.02.12.
Domanovszky Henrik
Motor hajtóanyagok CHOREN termokémiai eljárásának lépései Az eljárás lépcsői taglalva az alábbiak: • aprítani, majd szárítani a biomasszát ~15-20 % nedvesség tartalmú nedves bázisra; • alacsony hőmérsékleten (550 °C) és nyomás alatt (1-5 bar) pirolízis/szenesítés a táplálással kontrollált hőmérséklet és meghatározott mennyiségű oxigén jelenlétében, melyből alacsony hőmérsékletű kátrányban gazdag illékony anyag és szilárd faszén keletkezik; • magas hőmérsékletű gázosítás 1400-1500 °C körül, az égéstérben (a biomassza üzemanyag forráspontja felett) oxigén jelenlétében az illékony anyag kátrány-mentessé konvertálódik; • az alacsony hőmérsékletű gázosításból származó faszén – porosított száraz állapotban – az üzemanyag alap, amit az égéstérbe befújnak, a belépő-áramú gázosító reaktorban a gázosító médiummal termikus reakcióba lép és nyers szintézis gáz keletkezik; • a gáz hőjét egy hőcserélő segítségével kinyerik (így termelve gőzt), ezután kondicionálják és gázfinomító reaktorban tisztítják, ahol folyadék befújása mellett nem kívánt összetevők (mint kloridok és szulfidok) eltávolításra kerülnek; • a hosszú láncú molekulák hidro-krakkolásával a folyékony „Sundiesel” üzemanyag jön létre; • a hamu tartalmat és a korábban el nem távolított kátrányt portalanítóban elszeparálják a nyers gáztól és visszanyerik az égéstér számára; 28 hamu az égéstér falának belsejében a gázosító alján lévő vízfürdőbe folyik le, itt • az olvadt gyűlik a megüvegesedett hamu. 28
2015.02.12.
Domanovszky Henrik
Motor hajtóanyagok Szintézisgáz termék: Metanol •
•
•
Syngasból metanolt is elő lehet állítani. Ez egy másik potenciálisan előállítható bioüzemanyag féleség, de a folyamatnak a földgázból olcsón derivált metanol jelenti a konkurenciát. A benzinnel összehasonlítva magas oktánszáma van és viszonylag alacsony energiatartalma. Leginkább az MTBE-t (metil-terc-butil-éter) oktánszámfokozó adalékot állítanak elő belőle (bár karcinogén, vagyis rákkeltő hatásának köszönhetően az USA-ban és több más országban, mint üzemanyag adalékot betiltottak). A metanol önmagában is használható üzemanyagnak, mint benzinadalék, vagy mint hidrogén előállításának forrása. Aggályos az etanolnál nagyobb környezetterhelése és egészségügyi veszélye. A BioMCN jelentős méretű 2. generációs Bio-MTBE gyártónak számít, a 36,4 % alkoholtartalmú, 63,6 % isobutilén tartalmú energiahordozó 19,8 MJ/kg energiasűrűséggel rendelkezik. A német Lurgi cég kidolgozott egy alternatív utat új MtSynfuels eljárás néven. Szintézissel metanol syngasból (MegaMethanol® technológia), olefintermelésre (MTP® eljárás) és oligomerizáció (MtSynfuel eljárás) használják. A Lurgi ezt az eljárást alkalmazva a mértékadó szabványokat teljesítő szintetikus közlekedési üzemanyag előállítására képes.
29
29
2015.02.12.
Domanovszky Henrik
Motor hajtóanyagok Biodízel előállítás olajtartalmú terményekből A FAME (repce) olajok és (állati) zsírok katalitikus hidrogénezése és krakkolása nem kifejezetten új eljárás, a termék is jelen van a piacon, mi több, mint első generációs bioüzemanyagként is besorolható. Valójában a trigliceridek magas minőségű szintetikus biodízellé konvertálásáról van szó. Amióta az eljárásban a hidrogén alkalmazása is szerepel, azóta jól illeszkedik az olajfinomítói tevékenységbe, mivel a hidrogén az előállítási folyamat részeként keletkezhet. Termény Előállítás módja Jelenlegi termelés Fő termőterületek Jellemző hozam / ha A Neste Oil a hidrogénezett Pálmaolaj termény 40 millió t/év Főként dél-Ázsia 4-8 t dízel, a HVO előállításához a Pálma olaj préselésével növényi olajokat, a PPO-kat Szója olaj Szójababból kinyerve 37 millió t/év Elsősorban USA és 0,5 t veszi sorra és a szállítási, dél-Amerika előfordulási lehetőségeknek Repceolaj Repce terményéből 18 millió t/év Európa, Kanada, Kína 1t megfelelően válogat a NExBTL Napraforgó olaj Napraforgó magvakból 11 millió t/év Európa, USA forrásául. A táblázat a Neste Jatropha Jatropha magvakból India, Indonézia, 1,5 t Philippin Oil adatait tartalmazza. A jatropha curcas Megjegyzés: a Neste Oil kimutatásával szemben más (2007magvai 17-20 mm es) statisztikák a pálma olaj hozamát 2,14 t (Nigéria) és 4,23 t hosszúak és 10 mm (Malajzia) közé teszik hektáronként, míg a jatropha hozamát szélesek, a felhasználás első fázisa a préselés, jellemző statisztikákat zömében fiatal, egy-két éves fejletlen országokban növénykultúrák határozzák meg, melyek hozama jelenleg 0,6 ezt közvetlenül a és 4,1 t/ha30 közé esik. A Jatropha curcas növényszerkezetéből motorikus égetés követi, finomításával azonban következik, hogy a 7,8 t/ha-os hozamot is nyújthatja. Fő kiváló biodízel nyerhető előnye pedig a hulladékterületeken való művelhetősége. 30
2015.02.12.
Domanovszky Henrik
Motor hajtóanyagok Fejlett biodízel üzemanyag változatok NExBTL, DME A NExBTL, azaz hidrogénezett biodízel (CnH2n+2) fűtőértéke magas, 44 MJ/kg a cetánszáma pedig kiugró, 84 és 99 között van. Felhasználásával járó fő előny pedig a mintegy 30 százalékkal alacsonyabb részecske kibocsátás, további előnye a hosszú távú tárolással szembeni stabilitás. A hidrogénezett biodízelt többnyire a fosszilis gázolaj adalékolására használják, bármilyen arányban. A DME, azaz Dimetiléter (CH3OCH3) előállításának alapanyaga általában szén, vagy földgáz, azonban a biomassza is használható alapanyag, FT eljárás, tehát BtL. Légköri viszonyok között gáz halmazállapotú, de alacsony (5-8 bar) nyomás mellett cseppfolyósítható. Felhasználása lehet az LPG adalékolása, vagy akár annak helyettesítése. Szemben a metanollal, a DME nem toxikus. Létező LPG infrastruktúra használható a tárolás és értékesítéshez. Az LPG motorok szikragyújtásúak, de a tisztán DME kompresszió gyújtású motorban is égethető (cetánszáma 55-60), fő előnye a kedvezőbb NOx és SOx emisszió, valamint a részecskementes kipufogógáz. A DME-hez optimalizált Volvo teherautó üzemanyag ellátására a Delphi készített speciális befecskendező rendszert, ez amiatt kihívás, mert a kenőképessége és viszkozitása alacsony, így a rendszernek lényegesen ellenállóbbnak kell lennie. A dízelnél tisztább égést a magasabb cetánszámának is lehet köszönni, azonban az energiatartalma mintegy fele 31 a gázolajénak (~19 MJ/l), tehát nagyobb fogyasztásra és tartályra kell tervezni, ráadásul előírás, hogy a tároló edény 80-85 százaléknál nem tölthető meg jobban. 31
2015.02.12.
Domanovszky Henrik
Motor hajtóanyagok Fejlett dízel bioüzemanyag változatok – ED95, v. Etamax Negyed évszázada van arra gyakorlati bizonyíték, hogy az etanolt nem csak szikragyújtású (Otto) motorokban lehet munkára fogni. 1985-ben az örnsköldsviki közlekedési vállalat két buszát alakították át etanol képessé és tesztelték, ezek túljutottak az egymillió km-en. A dízelmotorokkal elérhető magasabb termikus hatásfok — a Scania 43 %-ot publikál — haszonjárműveknél elengedhetetlen fenntarthatósági feltétel. Motor oldalról néhány kisebb változtatás szükséges: a kompresszió viszony megemelése az 1:30 közeli értékig, az alacsonyabb energiatartalom miatt több hajtóanyagot kell a hengerekbe juttatni, ezért nagyobb szállítóképességű pumpára és a porlasztókon több furatra, nagyobb dózis adagoló képességre van szükség. Természetesen a befecskendezés időzítését és az üzemanyagrendszerben használt anyagokat is az alkoholhoz kell igazítani. A Scania jelenleg egy teljesítmény változatban kínál motort etanolhoz, buszok és elsősorban disztribúciós célra szánt teherautókhoz. A kompresszió gyújthatósághoz térfogatszázalékban 93,5 százaléknyi etanolhoz — melyben a víztartalom legfeljebb 5 % — adalékokat kell keverni: 3,5 % égés gyorsítót, 2,5 % MTBE-t és 0,5 % izobutanolt. A jelenleg EURO 5 EEV emissziós szintet teljesítő motor korábban jelentős előrelépés volt minden szennyező terén (katalizátor előtt és után egyaránt). A valós részecske kibocsátás a ma hatályos előírás tizedénél tartózkodik, a CH értéke pedig az EEV határértékének harmada. A H:C arány 3,12, kedvező TTW-t eredményez. Az alacsonyabb energiatartalom (21,2 MJ/l) magyarázza a 60-65 %-os fogyasztásnövekedést, ez azonban nem vezet feltétlenül költségnövekedéshez. A SEKAB által uralt adalék árképzés 32 azonban egyenlőre még mindig nem szolgálja eléggé az ED95 elterjedését, amit csak erősít a sűrűbb olajcsere periódus és a víztartalommal összefüggő rosszabb hidegindíthatóság. 32
2015.02.12.
Domanovszky Henrik
Motor hajtóanyagok Alga – az egyik legígéretesebb alternatíva biodízel előállítására Az alga az ültetvények világában a leggyorsabban fejlődni képes termény. Fotoszintézissel egyes fajták nagy mennyiségű szénhidrátot állítanak elő és a cella falán belül tárolják. Súlyuk akár több mint 50 százalékát tehetik ki olyan szénhidrátok, mint a trigliceridek. Az algaolaj konverziója biodízellé, a trigliceridek lepárlását követően hasonlatos más termény olajok észterezéséhez, azonban az algából gázolaj előállítása ma még költséges. Az előállítás gazdasági mérlegét jelentősen javítja a melléktermékek értékesíthetősége, mindenek előtt az értékes proteiné. Hektárra vetített hozama óriási, nagyságrenddel, de akár két nagyságrenddel is meghaladja más terményekét, olyan területekről származtatva melyek amúgy művelésre alkalmatlanok, ráadásul az alga növekedéséhez ipari tevékenység során képződő óriási mennyiségű CO2 megkötését lehet használni.
33
33
2015.02.12.
Domanovszky Henrik
Motor hajtóanyagok Alga – az egyik legígéretesebb alternatíva etanol előállítására Fenntarthatósági szempontból etanol előállítására is a legkedvezőbb az alga. Ipari mennyiségű CO2-vel és napsugarakkal táplálkozik, anyagcsere közben pedig képes etanol előállítására. Fontos a megfelelő alga típus megválasztása (Kék Zöld Alga típusok változataival kísérleteznek) hozam és a beérés sebessége alapján. Fejlesztés alatt áll a kinyerés technológiája is. Az etanol előállítás (olcsó és másra nem alkalmas napos területen) már ma is nyereséges, mivel a melléktermékként nyert protein a teljes termelési folyamat költségét 34 fedezni képes. 34
2015.02.12.
Domanovszky Henrik
Motor hajtóanyagok Biogáz-biometán Megújuló eredetű metángáz előállítható nedves biomasszából légszegény erjesztéssel, vagy víz gázosításával, továbbá viszonylag száraz biomassza elgázosításával, ezután szükséges egy metanizáló folyamat a CH4 megformálására a CO és H2 gázokból. Utóbbi folyamat katalizátorának változtatásával eltérő komponensekből is előállítható a CH4 molekula, de az eljárás erősen exoterm, ezért az energia egy része hő formájában elveszik a reaktor hőelvonása során. Minden ipari méretű metanizáló esetén szükséges a 20 százaléknyi hőenergia visszanyerése. A biometán felhasználása sokcélú; jármű hajtására alkalmas már a 75 %-os töménységű is (fennmaradó rész CO2), míg 98-99 százalékos tisztaság esetén a gáz hálózatba is betáplálható, ami a biogáz disztribúcióját lényegesen egyszerűbbé és olcsóbbá teszi. A térfogatarány növelésének természetesen költség-vonzata is van, csakúgy mint a szennyező anyagok, mint pl. szulfidok eltávolításának, mely komponens sem a 35 járműhajtásra, sem pedig a hálózati becsatlakozásra nem megengedett. 35
2015.02.12.
Domanovszky Henrik
Motor hajtóanyagok Biogáz-biometán A szerves anyagok biológiai lebontásának előmozdításához az anyagokat 30-57 °C-ra melegítik. A folyamatot gyakorta különböző eljárásokkal gyorsítják, mint például a Madrid mellett működő Valdemingómez szemétkezelő mű forgó hengereiben is, ahol a szerves hulladék biogázzá bomlása 21 nap alatt végbe megy. A CO és H2 keverék komponenséből álló Syngas is transzformálható metánná a termikus gázosítás során. Megújuló források, mint például a fekete likőr, a szerves hulladékok, száras és fás ligno-cellulóz anyagok szintetikus gázzá alakíthatóak. Ezek metanizálása és szárítása után a biometán e formája is tetszőlegesen felhasználható járműhajtásra, vagy más szokásos módon. A biometán több, mint 99 százalékban CH4 és CO2 keveréke.
36
36
2015.02.12.
Domanovszky Henrik
Motor hajtóanyagok Metángáz tartályrendszerei Atmoszférikus viszonyok között a metángáz energiasűrűsége csekély, ezért két változatában teszik a közlekedés számára alkalmassá: CNG: 200 baros nyomáson kompresszorokkal sűrítik és így fejtik át a járművek nyomástároló edényeibe. A CNG járművek tartályai sok helyet igényelnek, nehezek (kompozit tartályok tetemes felárért harmad súllyal rendelkeznek) és behatárolt hatótávolságot biztosítanak. A felhasználáson ront a gyér töltőinfrastruktúra, bár a továbbjutás benzinnel biztosítható. LNG: -162°C hőmérsékletre hűtve cseppfolyóssá válik és ezen a hőmérsékleten izolált tartályokban és vezetékekkel hőn tartással (és kismértékű állandó hőelvonással) biztosítják a cseppfolyós állapot fennmaradását. LNG tartályok mintegy 3-4-szer annyi gázfeltöltést és hatótávolság elérését teszik lehetővé, mint a CNG technológia, ezért távolsági közlekedésre az LNG válhat majd alkalmassá, amennyiben az egyenlőre teljesen hiányzó töltőhálózat elterjed. Figyelem: a metángáz azonos a fosszilis eredetű földgáz metántartalmával, így a biometán és a földgáz tetszőleges mértékben keverhető! Léteznek megújuló 37 eredetre utaló CBG, LBG elnevezések is, melyek jelentése járműoldalról CNG, LNG. 37
2015.02.12.
Domanovszky Henrik
Motor hajtóanyagok L-CNG töltőrendszer
L-CNG: olyan töltőrendszer, amely mélyhűtött metángázt fogad, vagy a metán forrásánál előállít, azt kiszolgálja az LNG járművekbe, de ezen felül 38 a hőn tartás energia bevitele helyett lassan, de folyamatosan gázt von el, amit CNG formában szolgál ki más, CNG üzemű járművek számára. Ezzel mindkét metángáz rendszerű jármű kiszolgálható. 38
2015.02.12.
Domanovszky Henrik
Motor hajtóanyagok Hythane és más hidrogén-metán keverékek A metán molekulákban a C:H aránya minden más szénhidrogén üzemanyagénál alacsonyabb, ennek eredményeképpen a kipufogón távozó CO2 mennyisége is a legkedvezőbb. Az üvegházhatású gázkibocsátás csökkentésére irányuló törekvések eredményeként két évtizede fejlesztettek ki egy még kedvezőbb hajtóanyagot, a hythane-t, a hidrogénnel dúsított metángázt. Az HCNG-t tesztelők különböző arányú keverék égési tulajdonságait vizsgálják. Egészen a 30 térfogatszázalékig adagolható a hidrogén a metánhoz, így drasztikusan csökkenthető a TTW emisszió. A svájci EMPA által felvázolt LCF (Low Carbon Fuel) üzemanyag koncepció szerint 70 százalék földgázhoz kevert 20 százalék biometán és 10 százalék hidrogén egy 160 g CO2 kibocsátású benzines autó emisszióját 90 grammra csökkenti úgy, hogy a mai infrastruktúrális és energiahordozó széleskörű rendelkezésre állás keretfeltételei is biztosítottak. Ti. Svájcban és Európa már sok nyugati államában a biogáz 20 százalék körüli töltőhelyhez közeli rendelkezésre állása már nem kérdés, míg a 10 százaléknyi hidrogén fenntartható — CO2 mentes — helyi előállítása napcellákkal termelt áram vízbontással könnyen megoldható. A Hythane térnyerése nem csak az üvegházhatású gázkibocsátás csökkenésének hasznával járna, hanem a hidrogén infrastruktúra szaporodását is hozhatja, amely a hidrogénnel hajtott járművek bevezetésének legfőbb akadályát képezi. A Hythane nevet a 20 százalék hidrogén v/v tartalmú gázkeveréknek adták. 2 Irisbus-on végzett közúti mérés szerint a Hythane jelentősen csökkentette a károsanyag kibocsátást is (a CNG-hez viszonyítva): -18 % NOX, -30 % CH. Az eredményhez módosították a beállítási paramétereket, 39 korrigálták a levegő-hajtóanyag mennyiség értékeket. A hidrogén hatására a lángterjedési sebesség magasabb, ez nagyobb termikus hatásfokhoz vezethet. 39
2015.02.12.
Domanovszky Henrik
Motor hajtóanyagok Hidrogén közlekedési felhasználása A H2 molekula, mint energiahordozó tiszta felhasználására ma két jelentősen eltérő technológia elterjedésével van lehetőség. Mindkettő peremfeltétele a töltőinfrastruktúra jóval szélesebb körű elterjedése. Erre azonban 2010 végén még csak szórványosan volt példa, így Kalifornia, Németország bizonyos részei, a skandináv Hydrogen Hyway és néhány távol keleti országban. A töltő infrastruktúrát a hidrogén térfogatra vetített roppant csekély energiatartalma miatt 350, vagy 700 bar nyomásra tervezik.
40
40
2015.02.12.
Domanovszky Henrik
Motor hajtóanyagok Hidrogén útvonalak Hidrogén útvonalak a közlekedésben, a HyFleet:Cute több éven keresztül zajló projekt összegzésében
41
41
2015.02.12.
Domanovszky Henrik
Motor hajtóanyagok Elektromos áram, mint hajtóanyag Az elektromos mobilizmus kialakítása talán minden más üzemmódnál erőteljesebben (globális és lokális) politika függő. A lokális károsanyag emissziótól mentes közlekedés lehetőségének kialakítása elsősorban a sűrűn lakott területeken ébredő, határozottan erős igény, épp ezért egyes helyi politikai határozatok kiemelt preferenciákkal kedveznek a ZEV-eknek (zéró emissziójú jármű): vételár dotáció, adómentesség, behajtási engedély, parkolási engedély, vagy kizárólag csak ezek behajtási engedélye. Érthető módon a sűrűn lakott területeken az emisszió mentesség egyúttal a lakosok nagyszámának egészségvédelmét, az egészségügyi kiadások mérséklését is jelenti. Az elektromos hajtással közlekedő autók zajkibocsátása is jóval a belsőégésűek alatt maradhat, mely úgyszintén hozzájárul tömegek életkörülményeinek javításához. Az elektromos autózás üvegházhatása nagyon erősen függ az elektromos hálózat jellemző lokális CO2 intenzitásától. Európára átlagosan jellemző kibocsátás 2,5 t/toe (2006), azaz 0,06 kg CO2/MJ, mintegy 20 százalékkal több, mint egy földgáz és kb. 10 százalékkal kevesebb, mint egy benzines autó lokális kibocsátása. Az elektromos autózás energiabiztonsági és GHG szempontból akkor válik vonzóvá, ha az energetikai szektor nagy arányban függetlenül a fosszilis energiahordozóktól. Annál sokkal jobban, mint az az EU 2020-ra vonatkozó célkitűzésében szerepel, amely az energiafelhasználás 20 százalékos megújuló forrásokból történő biztosítását irányozza elő. 42
42
2015.02.12.
Domanovszky Henrik
Motor hajtóanyagok Elektromos áram, mint hajtóanyag Az ún. zöldáram kérdése világszerte fejtörést okoz az áramhálózat szolgáltatóinak, elosztóinak, tekintettel arra, hogy a kiépített hálózatok meglehetősen öreg rendszerelven működnek, rugalmasságot pedig a hullámzóan változó megújuló áramtermelői teljesítményre nem mutatnak. Hasonló hullámzó áramfelvételt jelent egy-egy nagyobb EV autó flotta, vagy egy város autóparkjának töltése is, mivel ezek rendszerint 17 és 20 óra között csatlakoznak fel és mintegy 5 órán keresztül töltődnek, ami már egy kettőszázezres járműpark esetén is 600 MW fogyasztás csúcsot okoz. Javít a helyzeten, ha egy intelligens hálózat a fogyasztást rendszer szemléletben befolyásolja. A legújabb koncepciók az EV autókat az elektromos hálózat részeként képzelik el, nem csak fogyasztó képében jelenítik meg, hanem csatlakoztatva áramtárolóként is szerephez juttatják. Hálózat teljesítményfelvétele és a rácsatlakozó EV töltésigény 200 ezer autó esetén
Teljesítményfelvétel kiegyenlítődés az intelligens hálózatkiépítés esetén
Az elektromos hálózat részeként megjelenő EV-k akkumulátorai a hálózat puffereként /tározójaként működhetnek
43
43
2015.02.12.
Domanovszky Henrik
Motor hajtóanyagok Elektromos áram, mint hajtóanyag A zöldáram terjedéséhez elképzelhető másik hálózati technológia: a megújuló áramtermelő berendezésekből származó energia más könnyen tárolható és később felhasználható szekunder energiahordozóvá konvertálása. A többlet áram lefölözésére a hidrogén vízbontásos előállítása kézenfekvőnek látszik, jól igazítható az áram kínálathoz. Jelenleg hiányzik azonban a széleskörű felhasználói oldal és a tároló kapacitás. Több nagyságrenddel nagyobb tárolást és felhasználást tesz lehetővé az osztrák alapítású Solar Fuel és a Baden-Württembergi Napenergia- és Hidrogénkutató Központ (BW-ZSW) közös demoprojektjében bemutatott eljárás. A 2009-ben üzembe állított konténerben a napcellák által megtermelt áram segítségével az első lépcsőben elektrolízis útján vizet bontanak: 2 H2O → 2 H2 + O2. A második lépcsőben a légkör széndioxidját felhasználva egy katalizátor segítségével metánt fejlesztenek: 2 H2 + CO2 → CH4 + O2. A 25 kW-os, 40 % hatásfokkal működő demoállomás után 2012-re elkészítenek egy 250-szer nagyobb, 6,3 MW teljesítményű bétaállomást mely 54 % konverziós fokkal fog működni. Tervek szerint pedig 2014-ben a gammaállomás már 20 MW-ot 60 %-os konverzióval fog teljesíteni. Az ötlet alapján a megtermelt metángáz tárolása probléma mentesen hajtható végre a rendelkezésre álló földgáztározókban. Így a jövőben a megújuló áram termelésének ingadozására az Áram-Gázzá technológia ad majd széleskörű és kielégítő megoldást mind az energetikai, mind pedig a közlekedési ágazatok számára. 44
44
2015.02.12.
Domanovszky Henrik
Motor hajtóanyagok Megújuló áram gázzá, energiahordozók átjárhatósága
45
45
2015.02.12.
A „korlátlan” megújuló kapacitás rendszerbe állításához biztosítani kell az időjárás okozta teljesítménypúpok elraktározását. Az összes energia tározói kapacitás közül a gáztározók a legnagyobbak. Az Áram-Gázzá rendszer a közlekedés számára három energiahordozó féleséget kínál egyszerre. Domanovszky Henrik
Motor hajtóanyagok
Háttér diák
46
46
2015.02.12.
Motor hajtóanyagok Az üvegházhatású gázkibocsátás okozta hőmérséklet változás Számos elemzés és modell épült fel a várható globális felmelegedés mértékére. Ezek alapján az 1980-1999 között mért átlaghőmérséklethez képest a várható globális felmelegedés az évszázad végére – alacsony szintű üvegházhatású gázkibocsátás mérséklés esetén – átlagosan +5-6°C-os szintekre emelkedhet. Eközben a politikai konszenzus a legfeljebb két fokos hőmérséklet emelkedését tartja elfogadhatónak és az ehhez szükséges kibocsátást korlátozó intézkedéseket forszírozza. A globális felmelegedés hosszú távú következménye a felmelegedés következtében lelassuló, majd leálló óceáni áramlatok és egy globális lehűlés: jégkorszak kialakulása. Rövidtávon a felmelegedés számos területen befolyásolja az emberi élet körülményeit. A legfontosabbak: vízhiány, felboruló ökoszisztéma egyensúly, élelem termelési 47 képesség csökkenés, tengerparti és alacsonyan fekvő életterek eltűnése a tengerszint emelkedésének köszönhetően, közvetlen egészségügyi hatások. 47
2015.02.12.
Domanovszky Henrik
Motor hajtóanyagok Globális hőmérsékletváltozás hatásai
48
48
2015.02.12.
Domanovszky Henrik
Motor hajtóanyagok Megújuló üzemanyagok CO2 megtakarítása (EU irányelvből)
49
49
2015.02.12.
Domanovszky Henrik
Motor hajtóanyagok Közlekedési célra használható biomassza forrás csoportok
50
50
2015.02.12.
Domanovszky Henrik
Motor hajtóanyagok Fischer-Tropsch eljárás •
•
•
•
51
Katalitikus kémiai reakció, melyben szénmonoxidot és hidrogént állítanak elő, egy sor folyékony szénhidrogén formátummá gázosítva olyan szilárd alapanyagokat, mint a szén, vagy a fás biomassza. A fém katalizátorok tipikusan vas és kobalt alapúak, de említendő a ruténium és a nikkel is. Szintézisgáz szénhidrogén üzemanyaggá folyamat: (2n+1)H2 + nCO → CnH (2n+2) + nH2O. Az eljárást 1923-ban dolgozta ki Prof. Franz Fischer és Dr. Hans Tropsch a német Kaiser-Wilhelm Intézet Szén Kutatójában. A szabadalmaztatott eljárást 1925-ben jelentették be, üzemi méretű fellépése a szénből előállított syngas előállításával történt. Az 1940-es években 600 000 t/év folyékony üzemanyagot állítottak elő Németországban szénből. Földgázt is lehet konvertálni, ahogy a Mobil gázt-benzinné eljárását használták Új-Zélandon a ’70-es évek olajár sokkját követően. A Shell a malajziai Bintuluban működtet FT-gázolaj üzemet 1993 óta. Az üzem és a technológia mint Shell közép desztillációs szintézis (SMDS) ismert. Alapanyagként földgázt használ51elsősorban alacsony kéntartalmú gázolaj, valamint élelem minőségű viasz előállításához. 2015.02.12.
Domanovszky Henrik
Motor hajtóanyagok Az algafarm működése A mikro-algaolaj hozam hektárra vetítve 16-szor akkora, mint a pálmaolaj hozam (évi kb. 40.000 l szemben a 2500 literrel) és mintegy egy-kétszázszorosa a tradicionális termőföldi termények olajhozamának (szójabab 200 l). Emellett az alga 99 százalékkal kevesebb vizet is használ fel a növekedése során, mint a konvencionális termények. Azonban az alga nagy mennyiségű előállításához – ha az nem fotobioreaktorban történik – nagy tófelületekre, ehhez pedig nagy tőkebefektetésre van szükség. Az alga egyik legígéretesebb tulajdonsága a CO2 abszorpciója, melynek kiaknázási módját széntüzelésű erőművek emissziójából származó, tisztán CO2 gáztáplálásával úgyszintén tanulmányoznak. Ez a CO2 52 injekció az alga növekedésének elősegítését szolgálja. 52
2015.02.12.
Domanovszky Henrik
Motor hajtóanyagok Az alga biomassza feldolgozásának technológiai útvonalai
53
53
2015.02.12.
Domanovszky Henrik
Motor hajtóanyagok Metángáz hajtás alacsony emissziót eredményez Földgáz üzemű személyautó emissziója benzines, illetve dízellel össze hasonlítva -25 % -15 % CO2 emisszió (biogáznál jelentősen több) -75 %
-36 % mérgező CH emisszió
54
54
2015.02.12.
-35 %
~ -100 % részecske kibocsátás
-53 %
-95 % NOx emisszió
Domanovszky Henrik
Motor hajtóanyagok Biometán hozam különböző biomassza forrásokból
55
55
2015.02.12.
Domanovszky Henrik
Motor hajtóanyagok L-CNG töltőállomás koncepció Tudnivaló, hogy a metángáz szállítását csőhálózat hiánya esetén LNG formájában végzik, növekvő mennyiségben a tengereken is. Ezáltal Európa partvonalain egyre több helyen az LNG formájában van jelen a metángáz, mely nem igényel jelentősebb többlet ráfordítást a közlekedés számára felhasználhatóvá tenni.
56
56
2015.02.12.
Domanovszky Henrik
Motor hajtóanyagok Metángáz felhasználás dual-fuel üzemanyag rendszerben A metángáz belsőégésű motorban nem öngyulladó, ezért szikragyújtással indítják el a keverék égési folyamatát. Ettől eltérő megoldást kínál a Dual-fuel rendszer, amely a komprimált gáz-levegő elegy égését egy gázolaj pilot befecskendezéssel indítja el. A kétféle hajtóanyag közül a hidegindításnál nagyobb arányú, akár 100 %-os gázolaj tartalom, a bemelegedéssel egészen 5 %-ig csökkenthető, de a továbbjutás tisztán gázolajjal mindig biztosítható. Dual-fuel motorok termikus hatásfoka 20-25 %-al57jobb, mint a szikragyújtásúaké. 57
2015.02.12.
Domanovszky Henrik
Motor hajtóanyagok LCF hidrogén-metán keverékek
58
58
2015.02.12.
Domanovszky Henrik
Motor hajtóanyagok Hidrogén közlekedési felhasználása •
•
•
59
A hidrogén tárolás a járművekben az egyik fő kutatás-fejlesztési feladat, mivel még 700 baros nyomás mellett is túl nagy tartályméretre van szükség. Kisebb teret igényel a H2 cseppfolyós, -273°C-ra hűtött állapotban, azonban még nem sikerült kifogástalanul megoldani a tartály és a befecskendezés közötti csővezetéket, annak szigetelését. Kecsegtetőnek tűnnek a könnyűfém ötvözetek, mint a LaNi5H6, vagy a Mg2FeH6 hidrogén abszorpciós képessége, amin még dolgozni kell, az egyenlőre nem kielégítő visszanyerés hatásfoka. A két technológia közül a látszólag egyszerűbb a belsőégésű motorral történő elégetés. Sajnálatos módon azonban az ez irányú fejlesztések látszólag megfeneklettek. Az MAN buszflottájából a turbófeltöltésűek befecskendezőinél nem sikerült elégséges élettartamot elérni. A BMW azután jelentette be a fejlesztés leállítását, hogy laboratóriumi körülmények között a cseppfolyós hidrogénnal, közvetlen befecskendezés mellett 43 %-os termikus hatásfokot ért el. A második technológia – a tüzelőanyag-cella – tisztán elektromos hajtást szolgál, mint fedélzeti áramfejlesztő berendezés. A gyártástechnológiai fejlesztések középpontjában áll a drasztikus költségcsökkentés, melyhez elsősorban a példányszám emelkedés vezet. Jelen fejlettségi szint mellett a tüzelőanyag-cella, mint a 59 segédberendezések áramforrása is lehetséges 2015.02.12.
Domanovszky Henrik
Motor hajtóanyagok Hidrogén CO2 mérlege A hidrogén H2 molekulák képében hordozza a karbon mentes hajtóanyag ígéretét. Ez természetesen csak a TTW vizsgálat alapján valósul meg, azonban létezik olyan H2 előállítási útvonal is, amelyik az előállítás során is, tehát a teljes körfolyamaton karbon mentes, 60 vagy ahhoz nagyon közeli. 60
2015.02.12.
Domanovszky Henrik
Motor hajtóanyagok A hidrogénnel csökkentett CO2 emisszió ára Ha az üvegházhatású gázkibocsátás csökkentését gazdasági szempontok szerint vizsgáljuk és a költség ráfordítást szembeállítjuk az elkerült emisszióval, igazán figyelemreméltó eredményre jutunk.
•
61
61
2015.02.12.
A tüzelőanyag-cellák különböző típusai közül a PEM típusúak bizonyulnak járműhajtásra alkalmasnak. Az oxigént és hidrogént szeparáló membránokon keresztül felszabaduló elektronok átáramlása jó hatásfokkal folyik. Nyomában csak vízgőz keletkezik.
Domanovszky Henrik
Motor hajtóanyagok A szénhidrogének és az oktánszám összefüggése
Dr. Hancsók Jenő
Tipikus benzin CH molekulák: 2,2,4 Trimetilpentán 62
bután 62
2015.02.12.
Izopropyl benzén
Metil-tert-butil-éter (MTBE) Domanovszky Henrik
Motor hajtóanyagok A szénhidrogének és a cetánszám összefüggése
Dr. Hancsók Jenő
63
63
2015.02.12.
Domanovszky Henrik
Motor hajtóanyagok A szénhidrogén láncok a gázolajban és biodízelben Hagyományos gázolaj
FAME biodízel (szójababból készült metil észter)
64
64
2015.02.12.
Domanovszky Henrik
Motor hajtóanyagok Üzemanyagok fő tulajdonságai Éghetőség gáz/levegő tartomány (vol%)
Alsó fűtőérték MJ/kg
CO2 kg/kg
CO2 kg/MJ
Hidrogén
120,1
0
0
-
100 % H
-253
572
4-74,2
34
125
CNG/CBG
45,1*
2,54
0,056319
C
75 % C, 25 % H
-161,6
632
5,0-15
17,2
122
46
3,02
0,065652
550
25,3
1,661
C2-C4
82 % C, 18 % H / 83 % C, 17 % H
-43 / -10
15,5
90-96
Kerozin
43,1
2,59
0,060093
582
25,0842
1,50738
C6-C16
87 % C, 13 % H
170-260
Gázolaj
43,1
3,16
0,073318
832
35,8592
2,62912 C10-C24
86 % C, 13 % H
180-360
Gázolaj 5 % bio
42,8
3,14
0,073364
835
35,738
2,6219
FAME Biodízel
36,8
2,81
0,076359
890
32,752
2,5009
Szintetikus dízel
44,8
3,12
0,069643
760
34,048
2,3712
Benzin
42,9
3,19
0,074359
745
31,9605
2,37655
Benzin 5% etanol
42,3
3,1
0,073286
747
31,5981
2,3157
Etanol
26,8
1,91
0,071269
794
21,2792
DME
28,4
1,91
0,067254
670
19,028
PPO
37,6
920
34,592
Üzemanyag
Propán-bután
Sűrűség Fűtőérték Szénlánc (kg/m3) MJ/l CO2 kg/l hossz
Fő komponensek tömegszázaléka
Forráspont Öngyulladás (°C) pont (°C)
500/480 2,1/1,9-9,5/8,4 220
Elméleti levegő Cetán Oktán szükséglet szám szám
0,7-5
14,5
0,8-5,5
14,5
52 52
55
60
C4-C12
86 % C, 14 % H
25-210
280
1,4-7,6
14,7
90-100
1,51654
C2
52 % C, 13 % H, 35 % O
78
420
3,5-15
9
110
1,2797
C2
52 % C, 13 % H, 35 % O
-24
350
3,4-18,6
9
317
60 40
* Erősen függ a gáz összetételétől, szokásos kalkulációs érték 49 – 50 MJ/kg, tiszta metán esetén 55 MJ/kg
65
65
2015.02.12.
Domanovszky Henrik
Motor hajtóanyagok Biodízelek termény szerint eltérő tulajdonságai Feldolgozási technológia RME
Termény Fűtőérték Öngyulladás alapanyag MJ/lit pont (°C) Cetánszám gyapotmag 110 51,2 repcemag 40,4 84 54,4 sáfrány 40,1 180 49,8 szójabab 39,8 171 46,2 napraforgó 39,8 46,6 pálmaolaj 39 48,2 kukorica 39,5 277 37,6 gyapotmag 39,5 234 41,8 Crambe* 40,5 274 44,6 lenmag 39,3 241 34,6 földimogyoró 39,8 271 41,8 repcemag 39,7 246 37,6 sáfrány 39,5 260 41,3 Szezámmag 39,3 260 40,2 szójabab 39,6 254 37,9 napraforgó 39,6 274 37,1
FAME
66
66
2015.02.12.
Domanovszky Henrik
