Alternativní paliva pro automobily

MENDELOVA ZEMĚDĚLSKÁ A LESNICKÁ UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA Ústav techniky a automobilové dopravy

Alternativní paliva pro automobily

Bakalářská práce

Vedoucí práce:

Vypracoval:

doc. Ing. Miroslav Havlíček, CSc.

Jindřich Klaška, DiS.

BRNO 2009

Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Ústav techniky a automobilové dopravy

Agronomická fakulta 2008/2009

ZADÁNÍ BAKALÁŘSKÉ PRÁCE Autor práce:

Jindřich Klaška, DiS.

Studijní program:

Zemědělská specializace

Obor:

Provoz techniky

Název tématu:

Alternativní paliva pro automobily

Rozsah práce:

30 - 40 stran

Zásady pro vypracování: 1. Rozbor problematiky zadání 2. Druhy alternativních paliv 3. Zhodnocení perspektivy použití jednotlivých druhů alternativních paliv 4. Experimentální měření vozidla s pohonem na vybrané alternativní palivio 5. Vyhodnocení měření Seznam odborné literatury:

1.

VLK, F. Alternativní pohony motorových vozidel. 1. vyd. Brno: František Vlk, 2004. 234 s. ISBN 80-239-1602-5.

2.

VLK, F. Automobilová elektronika. 1. vyd. Brno: František Vlk, 2006. 269 s. ISBN 80-239-6462-3.

3.

VLK, F. Elektronické systémy motorových vozidel. 1. vyd. Brno: František Vlk, 2002. 298 s. ISBN 80-238-7282-6.

4.

VLK, F. Koncepce motorových vozidel : Koncepce vozidel, alternativní pohony, komfortní systémy, řízení dynamiky, informační systémy. 1. vyd. Brno: Nakladatelství a vydavatelství VLK, 2000. 367 s. ISBN 80-238-5276-0.

5.

VLK, F. Paliva a maziva motorových vozidel. 1. vyd. Brno: František Vlk, 2006. 376 s. ISBN 80-239-6461-5.

6.

VLK, F. Vozidlové spalovací motory. Brno: Nakladatelství VLK, 2002. 580 s. ISBN 80238-8756-4.

7.

VLK, F. Zkoušení a diagnostika motorových vozidel : výkon vozidla, brzdné vlastnosti, převodová ústrojí, řízení, geometrie kol, tlumiče a pružiny, řiditelnost a ovladatelnost, životní zkoušky, motor, zapalování, elektronické systémy. 2. vyd. Brno: František Vlk, 2005. 576 s. ISBN 80-239-3717-0.

8.

CHYLÍK, M. Alternativní paliva a jejich vliv na technicko-ekonomické parametry vozidla. Diplomová práce. MZLU Brno, 2002.

1

BAŘINA, P. Alternativní paliva, jejich využití v provozu a vliv na technicko ekonomické parametry vozidla. Diplomová práce. Brno: MZLU Brno, 2005. 99 s.

9.

ČUPERA, J. -- HAVLÍČEK, M. Alternativní způsoby měření spotřeby paliva s využitím dat palubní diagnostiky. Acta Universitatis agriculturae et silviculturae Mendelianae 10. Brunensis : Acta of Mendel University of agriculture and forestry Brno = Acta Mendelovy zemědělské a lesnické univerzity v Brně. 2005. sv. LIII, č. 4, s. 23--31. ISSN 1211-8516. POKORNÝ, Z. Bionafta : ekologické alternativní palivo do vznětových motorů. 1. vyd. 11. Praha: Institut výchovy a vzdělávání Ministerstva zemědělství ČR, 1998. 43 s. ISBN 80-7105-173-X. 12.

ČUPERA, J. Vliv používaného alternativního paliva na technicko-ekonomické parametry vozidla. Diplomová práce. MZLU Brno, 2002.

ČUPERA, J. Výkonové parametry osobních automobilů spalujících plynná paliva na válcové zkušebně. In Sborník přednášek XXXV. mezinárodní konference kateder 13. a pracovišť spalovacích motorů českých a slovenských vysokých škol. 1. vyd. Brno: Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně, 2004, s. 273--278. ISBN 807157-776-6. KŘEPELKA, V. Využití bioetanolu jako paliva v zemědělství : (studijní zpráva) = Use 14. of bioethanol as fuel in agriculture : (review). Praha: Ústav zemědělských a potravinářských informací, 1997. 37 s. Studijní informace. ISBN 80-86153-34-7. 15.

STRAKOŠ, L. -- PICHL, K. 1. mezinárodní konference "Silniční doprava a životní prostředí". Brno (CZ).

Datum zadání bakalářské práce:

říjen 2007

Termín odevzdání bakalářské práce:

duben 2009

Jindřich Klaška, DiS. řešitel

doc. Ing. Miroslav Havlíček, CSc. vedoucí práce

doc. Ing. Miroslav Havlíček, CSc. vedoucí ústavu

prof. Ing. Ladislav Zeman, CSc. děkan AF MZLU v Brně

2

Prohlašuji, že jsem předloženou bakalářskou práci vypracoval samostatně za použití uvedené literatury a pramenů. Diplomová práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího diplomové práce a děkana AF MZLU v Brně.

V Kobylnicích, dne 20. dubna 2009.

……………………………… Jindřich Klaška, DiS.

3

Chtěl bych tímto poděkovat doc. Ing. Miroslavu Havlíčkovi, CSc. za odborné vedení této bakalářské práce, Ing. Bc. Tomáši Hlavenkovi za souhlas s využitím naměřených dat a hlavně svým blízkým za podporu, kterou mně při psaní této práce poskytli.

4

Abstract This essay on introduce the alternative fuels which may be used in cars. In the first part I will be concerned with the fossil fuels and their restrictions in long term use, especially because of the decline of the crude oil reserves and because of the ecological reasons at all. The second and main part is about the alternative fuels, their main characteristics, perfections and drawbacks and also their future utilization. Third part is an particular example of vegetable oil as alternative fuel used in car.

Keywords: vegetable oil, alternative fuels, bio fuels, gas fuels, hybrid propulsion, cars, ecology, renewable resources

Abstrakt Tato práce představuje a stručně charakterizuje alternativní paliva pro automobily. V první části se zabývá problematikou fosilních paliv, která jsou v dlouhodobém horizontu nevhodná z ekologických důvodů a díky snižování zásob ropy. Druhá část, stěžejní část, se zaměřuje na alternativní paliva. Jednotlivá paliva jsou stručně charakterizována, jsou zachyceny jejich přednosti a nedostatky a je nastíněno jejich využití v budoucnosti. Třetí část uvádí praktický příklad využití alternativního paliva – rostlinného oleje – při běžném provozu motorového vozidla.

Klíčová slova: rostlinný olej, alternativní paliva, biopaliva, plynná paliva, hybridní pohon, automobily, ekologie, obnovitelné zdroje

5

OBSAH 1.

Úvod.............................................................................................. 7

2.

Cíl práce ........................................................................................ 8

3.

Metodika ....................................................................................... 9

4.

Rozbor problematiky využití fosilních paliv ................................. 10

5.

4.1.

Omezené světové zásoby ....................................................... 10

4.2.

Vliv na životní prostředí ....................................................... 11

Druhy alternativních paliv............................................................ 12 5.1.

5.1.1.

Ropný plyn – LPG .......................................................... 12

5.1.2.

Zemní plyn – CNG a LNG............................................... 13

5.1.3.

Srovnání LPG a CNG ...................................................... 15

5.2.

6.

7.

Plynová paliva ...................................................................... 12

Biopaliva a alkoholy ............................................................. 15

5.2.1.

Rostlinné oleje ................................................................ 16

5.2.2.

Směsné motorové nafty ................................................... 21

5.2.3.

Emulzní motorová nafta .................................................. 21

5.2.4.

Bioetanol ........................................................................ 22

5.2.5.

Biometanol ..................................................................... 23

5.2.6.

Bioplyn ........................................................................... 24

5.3.

Elektromobily ....................................................................... 24

5.4.

Hybridní pohon a vodík......................................................... 26

5.5.

Zhodnocení paliv .................................................................. 29

Experimentální měření vozidla s pohonem na rostlinné oleje ........ 31 6.1.

Měřené vozidlo ..................................................................... 31

6.2.

Výsledky měření .................................................................. 32

6.3.

Zhodnocení ........................................................................... 35

Závěr ........................................................................................... 36

Seznam obrázků .................................................................................. 37 Seznam tabulek ................................................................................... 37 Seznam grafů ...................................................................................... 37 Seznam literatury a ostatních pramenů ................................................ 38

6

1. Úvod Lidé již téměř dvě stě let používají nejen ke své přepravě, ale i k přepravě dalších věcí, osob a materiálů automobilů, které jsou poháněné benzínem či naftou. Život bez auta nebo jiného dopravního prostředku jezdícího na ropné deriváty si už drtivá většina z nás asi nedokáže ani představit. Vzhledem k vývoji v poslední době, kdy dochází k rapidním úbytkům světových zásob ropy, zemního plynu a uhlí a jejich vyčerpání není v nedohlednu, je stále častěji pokládána otázka, jakým způsobem bude získávána energie nejen na provoz automobilů. Touto problematikou je nutno se zabývat již nyní. Stále častěji je v této oblasti poukázáno na řešení pomocí alternativních paliv z obnovitelných zdrojů. Vysoké požadavky na vývoj v této oblasti klade i narůstající starost o životní prostředí, které je stále více znečišťováno do vzduchu vypouštěnými škodlivými emisemi, především CO2. Ten způsobuje tzv. skleníkový efekt. Současná věda a výzkum přichází s mnoha možnostmi jiných řešení, než je použití ropy při výrobě pohonných hmot. Tyto jsou mnohem šetrnější k přírodnímu prostředí než „klasické“ spalovací motory, což si dnešní doba v blízkém časovém horizontu žádá. Nejblíže k praktickému využití mají v současnosti biopaliva, navíc nevyžadují principiálně jiné motory ani velké konstrukční změny na vozech. Na výrobu z polních plodin se však často spotřebuje více energie, než se získá. Již nyní se pracuje na tzv. biopalivech druhé generace, které by mohly vznikat z rychle rostoucích travin, dřevin, ale i z organických odpadů. Vývoj však často vedou nebo financují petrolejářské firmy a je v jejich zájmu, aby se tato paliva neobjevila zbytečně brzy. Jiným palivem připraveným k téměř okamžitému využití je stlačený nebo zkapalněný plyn. Ten však řeší spíš ekologické než ekonomické problémy, protože tato surovina má stejné nevýhody jako ropa: je neobnovitelná a těží se jen někde. Zajímavým pohonem pro auta se může stát vodík. Lze jej spalovat ve výbušném motoru nebo přeměňovat na elektřinu v palivových článcích, provoz je téměř čistý. Zatím se ale nepodařilo vyřešit bezpečné a levné skladování v nádržích automobilů. Především ale vodík není primární zdroj a musí se nejdříve vyrobit. Stejné potíže mají i elektromobily.

7

2. Cíl práce Využitím biopaliv v automobilech se zabývám již několik let. Ve své bakalářské práci bych se rád zaměřil na teoretické pozadí alternativních paliv. Tato bakalářská práce si klade za cíl představit a stručně charakterizovat alternativní paliva pro motorová vozidla. Jedním z úkolů bude popsat funkci a využití alternativních způsobů pohonu automobilů v současnosti, a jejich srovnáni s klasickými spalovacími motory. Bude poukázáno především na využití rostlinného oleje v pohonu automobilů. Budou analyzovány důvody vedoucí k používání alternativních paliv, jejich budoucnost, dále jejich přednosti a nedostatky. Cílem této práce je dále dokázat, že alternativní paliva by mohla být vhodnou náhradou za energii z ropy.

8

3. Metodika Pro dosažení uvedeného cíle bude metodický postup následující. Na základě studia odborné literatury bude objasněn význam, podstata, vymezení a základní pojmy z oblasti alternativních pohonů pro automobily. Předložená práce bude rozdělena na tři základní části, z nichž dvě jsou spíše teoretické, a třetí je názorným příkladem praktického využití. V první části je řešena problematika fosilních paliv. Stále větší zaměření společnosti na alternativní paliva má dva základní důvody. Prvním z nich jsou snižující se světové zásoby ropy, proto budou současné pohonné hmoty (nafta a benzin) ztrácet své dominantní postavení na trhu pohonných hmot. Druhým závažným důvodem je obrovský nárůst škodlivých emisí výfukových plynů, a to převážně CO2, způsobujících skleníkový efekt.1 Ve druhé části je poukazováno na jednotlivá alternativní paliva, protože práce by měla být základním přehledem alternativních možností pohonů pro automobily. Důraz bude kladen především na biopaliva a alkoholy. Využití alternativních paliv má také svá negativa, na která bude upozorněno. Ve třetí části je uveden praktický příklad využití alternativního paliva – rostlinného oleje – při běžném provozu motorového vozidla. Na závěr bude provedeno shrnutí a podána doporučení pro další možný vývoj v této oblasti.

1

Srov.: http://www.ceskyelektromobil.cz/projekt/ekologie.html - [cit. 2008-12-20].

9

4. Rozbor problematiky využití fosilních paliv 4.1. Omezené světové zásoby Experti odhadují, že již v relativně blízké době (2030) klesnou zásoby ropy, která je základní surovinou pro výrobu nafty a benzínu, na hranici asi 8,5 % celkového dnešního množství. V roce 2050-2100 budou vytěžena všechna dnes známá ložiska ropy. Lépe to vypadá se světovými zásobami uhlí, které jsou odhadovány zhruba na 100 miliard tun a měly by vystačit na staletí, za předpokladu, že zůstane jeho spotřeba na současné úrovni. To se však nedá předpokládat z důvodu, že uhlí bude muset v některých odvětvích nahradit ropu a tím jeho spotřeba stoupne. Dle odhadů vystačí i zásoba zemního plynu minimálně na 100 let.2

Obr. 1: Světové zásoby ropy v roce 20083

2

Srov.: http://www.21stoleti.cz/view.php?cisloclanku=2005050612 - [cit. 2009-01-10].

3

http://llamy.kvalitne.cz/ropa%20obrazky.html - [cit. 2009-04-04].

10

4.2. Vliv na životní prostředí Motorová paliva musí od ledna 2009 splňovat na tuzemských čerpacích stanicích náročnější emisní normu EURO 5, dle které obsahují 5x méně síry (tj. 10 mg/kg) a podíl bioložky se v palivech zdvojnásobil; to znamená, že místo původních 2 % se přimíchávají 4,5 % do nafty a 3,5 % do benzínu. V roce 2010 má být podle Evropské unie podíl biopaliv na spotřebě pohonných hmot 5,75 % dle energetického obsahu.4 Čistá biopaliva a jejich vysokoobjemové směsi mají být od roku 2009 zcela osvobozeny od spotřební daně. Toto daňové zvýhodnění má za cíl zvednout poptávku po biopalivech, aby Česká republika byla schopna splnit cíle Evropské unie. Program počítá s podporou základních biopaliv, která jsou v České republice nyní využívána. Jde zejména o metylester řepkového oleje (MEŘO) a bioethanol. Obě paliva jsou nyní v malém množství povinně přimíchávána do konvenčních paliv, v tomto případě se ale s osvobozením nepočítá. Nulová sazba daně by se týkala pouze paliv s vysokým obsahem biosložky. Ve světě jsou nejběžnější paliva E85 či E95 s podílem bioethanolu ve výši 85, respektive 95 procent, nafta s 30 procentním podílem biosložky a rovněž čisté MEŘO. V současnosti je od spotřební daně osvobozen například stlačený zemní plyn (CNG), který je mnohými odborníky považován za ekologické palivo. V České republice je bohužel kvůli nízkému počtu plnících stanic málo rozšířen. Stát motivuje jeho rozšiřování nulovou sazbou spotřební daně, která se má od roku 2011 postupně zvyšovat na běžnou sazbu. Využívání ekologičtějších paliv chce stát podporovat rovněž rozdílnými sazbami silniční daně. Podle návrhu zákona, který v lednu podpořila vláda, mají být od silniční daně nově osvobozeny například auta s hybridním pohonem, vozy jezdící na zkapalněný propan-butan, zemní plyn a ethanol. Někteří odborníci tvrdí, že biopaliva nemají pro ekologii výrazný přínos, neboť vypouštěné emise jsou jen nepatrně nižší než u konvenčních fosilních pohonných hmot. Objevují se také spekulace, že využití biopaliv zvyšuje ceny potravin. Experti si proto hodně slibují od druhé generace biopaliv z nepotravinových plodin, například biologického odpadu, některých travin a rychle rostoucích dřevin.5

4

Srov.: ROŠKANIN, M. Paliva jsou od ledna „zelenější“. In: PETROL magazín, 1/2009.

5

Srov.: http://www.ekolist.cz/txt_tzpr_full.stm?sh_itm=d64acbf2647d8bf53f80b6d7b09ad73a&sel_ ids=

1 &ids[x225f1bac 1cf799a903 be80b508b08783]=1 - [cit. 2009-02-19].

11

5. Druhy alternativních paliv 5.1. Plynová paliva Z hlediska funkce motoru jsou výhodnější než paliva kapalná, protože smíšení dvou látek stejného skupenství (plyn + vzduch) umožňuje lepší směšování, a tím i větší čistotu spalin. Bývají čistší, nesplachují olej z plochy válce jako např. benzin. Mají většinou větší oktanové číslo než paliva vyrobená z ropy. Nevýhodou je nesnadné skladování, doprava a distribuce. Z hlediska výhřevnosti je dělíme na chudé s výhřevností menší než 12 000 KJ/m3 a bohaté, které mají výhřevnost vyšší.6 Za války a v poválečných letech se v Evropě značně rozšířilo používání zkapalněného propanu a butanu k pohonu vozidlových motorů. Tyto plyny je možno zkapalnit poměrně nízkým tlakem již při normální teplotě. Propan lze zkapalnit při 20° C tlakem cca 0,85 MPa a n-butan při téže teplotě tlakem cca 0,23 MPa. Obyčejně jsou ve směsi 50% propanu a 40% butanu a isobutanu. Zbytek tvoří hlavně ethan a pentan.

Spodní

výhřevnost

je 83 500

KJ/m3

(46 200

KJ/kg) u

propanu

a 108 000 KJ/m3 (45 700 KJ/kg) u butanu. Problémem je distribuce a skladování oproti kapalným palivům. Tyto plyny označované LPG (Liquefied Petroleum Gas) jsou v podstatě plynné uhlovodíky získávané jako vedlejší produkt při rafinaci ropy, a proto i při nákladech na zkapalňování jsou dnes asi o polovinu levnější než benzin a mají dostatečně příznivé oktanové číslo. Vzhledem k obtížnější manipulaci s palivem jsou vhodnější spíše pro použití ve vozidlech městské hromadné dopravy nebo při vnitropodnikové dopravě.7

5.1.1.

Ropný plyn – LPG

Po zavedení katalyzátorů výfukových plynů a postupném tlaku na ekologizaci životního prostředí začal prudce rozvoj alternativního motorového paliva LPG (Liquefied Petroleum Gas) propan-butan. Toto ekologicky čisté motorové palivo využívá 5 milionů motoristů ve světě. V ČR je přes 580 veřejných čerpacích stanic LPG. Přínosem vozidel poháněných LPG jsou čistší výfukové plyny, delší životnost motoru, tišší chod motoru a ekonomická výhodnost provozu, která pramení z úspory cca 6

Srov.: http://stary.biom.cz/clen/jv/pr5.html - [cit. 2008-10-01].

7


12

50 % celkových nákladů na palivo). K nevýhodám patří nižší výkon (asi o 5 %), počáteční vstupní investice na pořízení zařízení a zmenšení zavazadlového prostoru.8

Obr. 2: Kompletní sada na přestavbu LPG9

5.1.2.

Zemní plyn – CNG a LNG

Zemní plyn má jako motorové palivo obrovskou budoucnost. Nejen, že je levný (v r. 2008 byla průměrná cena 16,- Kč/dm3, což je asi polovina ceny benzínu), dále má vysoké oktanové číslo (130), ale hlavně je to čisté palivo, které dostatečně splňuje dnešní emisní limity. Oktanové číslo je jedna ze základních charakteristik paliv do spalovacích motorů, vyjadřuje odolnost paliva proti samozápalu (projevuje se jako tzv. „klepání“) při kompresi ve válci spalovacího motoru. Zemní plyn se používá v podobě stlačeného plynu (CNG- Compressed Natural Gas), kdy jeho tlak je 200 bar, nebo lze využít v kapalné formě (LNG – Liquefied Natural Gas). Vysokotlaká verze, tedy CNG, je v současnosti více preferována. Zemní plyn má značnou výhodu především v tom, že je lehčí než vzduch, takže při jeho úniku nehrozí stejné nebezpečí 8

Srov.: SHAUHUBEROVÁ, M. Využívání zemního plynu v dopravě, In: Ekoenergie, s. 71-74.

9

http://cgi.ebay.de/Komplette-Autogasanlage-LPG-von-der-Marke-Tartarini_W0QQitemZ1703209554

45QQihZ007QQcategoryZ42604QQssPageNameZWDVWQQrdZ1QQcmdZViewItem - [cit. 2009-0404].

13

jako u LPG, který je těžší než vzduch a při jeho úniku dochází k hromadění při zemi nebo k naplnění podzemního prostoru. Z důvodu vysokého oktanového čísla je možné využívat vyšších kompresních poměrů a vyšší účinnosti při nižší spotřebě. U dvoupalivových systémů je při provozu na CNG výkon o cca 5% nižší než u benzínového motoru. Z ekologického hlediska nedochází při plnění k případné kontaminaci půdy. Z hlediska znečišťování životního prostředí je zátěž ze spalování CNG minimální, a to až o 30 % méně oxidu uhličitého (CO2), nízké emise oxidu dusíku (NOx), oxidu uhelnatého (CO), nulové emise síry a emise karcinogenních a aromatických látek a minimální emise pevných částic.10 „Při provozu na CNG je produkováno méně než 50 % pevných částic, které stanovuje emisní norma EURO 5, platná od podzimu 2008.“11 V současnosti je v ČR provozováno asi 1200 vozidel na CNG, z toho 215 autobusů a více než 950 osobních a dodávkových vozů. V roce 2008 bylo v ČR k dispozici 18 veřejných plnících stanic, do roku 2013 by se měly veřejné plnící stanice na zemní plyn objevit podél hlavních silničních tahů, které slouží jako tranzit přes ČR. Do roku 2020 byl pro ČR stanoven cíl v podobě ročního prodeje zemního plynu v sektoru dopravy cca 1 miliarda m3. Předpokládá se navýšení počtu CNG vozidel na 350 000 a dostavění asi 300 plnících stanic.12 Technologie zemního plynu je ve světě rozvinutá a dlouhodobě ověřená praxí. Na zemní plyn jezdí ve světě více než 8,7 mil. vozidel v 60 zemích světa. Nejvíce v Argentině, Brazílii, Itálii, Ukrajině a v Německu. Země EU podporují rozšíření provozu na CNG a hlavně v nejvíce ekologicky exponovaných lokalitách (lázně, rekreační oblasti, chráněná území) jsou realizovány demonstrační projekty. Dále EU poskytuje daňové zvýhodnění zemního plynu jako pohonné hmoty na delší časové období (ČR má nulovou spotřební daň do r. 2011), existují přímé dotace na nákup všech vozidel mladších 3 let s plynovým pohonem, je podporován výzkum a vývoj a plynofikace dopravy.13

10

Srov.: SHAUHUBEROVÁ, M. Využívání zemního plynu v dopravě, In: Ekoenergie, s.71.

11

SHAUHUBEROVÁ, M. Využívání zemního plynu v dopravě, In: Ekoenergie, s. 74.

12

Srov.: SHAUHUBEROVÁ, M. Využívání zemního plynu v dopravě, In: Ekoenergie, s.71.

13

Srov.: SHAUHUBEROVÁ, M. Využívání zemního plynu v dopravě, In: Ekoenergie, s. 73.

14

5.1.3.

Srovnání LPG a CNG

V současnosti se vozy na CNG pohon stávají velice žádaným zbožím. Během následujících 15 let by mělo každé desáté auto v Evropě jezdit na zemní plyn, který by se měl stát nástupcem LPG, jehož využití skončí s docházející ropou. Zásoby zemního plynu jsou oproti zásobám ropy téměř dvojnásobné a jsou otevírána další ložiska, tak jak se zlepšuje technologická úroveň zařízení pro těžbu plynu. K dalším výhodám zemního plynu patří nižší cena, lepší startovací vlastnosti při nízkých teplotách v zimě, stabilní kvalita paliva a také to, že zemní plyn je bezpečnější než propan-butan. Zemní plyn je distribuován plynovody na místo cisteren s kapalnými pohonnými hmotami, které při havárii mohou způsobit závažná ekologická znečištění.14

5.2. Biopaliva a alkoholy Lidstvo využívá fosilní zdroje energie už více jak sto let. Např. uhlí, ropu, zemní plyn. Důsledky těžby fosilních zdrojů se již dnes projevují na zhoršeném životním prostředí a globálních změnách klimatu v důsledku obsahu CO2 v biosféře. Z těchto důvodů se hledají alternativní obnovitelné zdroje energie, které by šetřily životní prostředí, a hlavně by se získávaly ze stále obnovitelných zdrojů.15 Alkohol a rostlinné oleje, které se získávají z biomasy, jsou ideální v našem podnebí. I přesto, že biomasa nemůže zcela nahradit veškeré klasické fosilní zdroje, odhaduje se, že tímto zdrojem může být v naší republice nahrazeno 15-20 % spotřeby všech paliv. V současnosti jsou nejdůležitějšími palivy vyráběnými z biomasy metanol, etanol a bionafta. Používání bioplynu a dřevoplynu postupně ustoupilo, bylo populární v období druhé světové války.16 Energetické rostliny je možné rozdělit na rychle rostoucí dřeviny a rostliny bylinného charakteru. Výhodou energetických bylin je krátké vegetační období, snadnější výsev a možnost zpracování i na neenergetické účely a možnost rychlé změny druhu rostlin. Mezi tyto rostliny patří cukrová řepa, obilí, brambory, řepka olejka (Brassica napus), slunečnice a len.17 Za biopaliva jsou považovány takové kapalné nebo plynné pohonné hmoty, které jsou vyráběné z biomasy. Patří mezi ně zejména biometanol, bioetanol, bionafta, 14

Srov.: SHAUHUBEROVÁ, M. Využívání zemního plynu v dopravě, In: Ekoenergie, s. 73.

15

Srov.: VLK, F. Paliva a maziva motorových vozidel, s. 125.

16

Srov.: VLK, F. Alternativní pohony motorových vozidel, s. 84.

17

Srov.: LAURIN, J. Biopaliva pro vznětové motory, In: Ekoenergie, s. 67.

15

bioplyn, bio-ETBE (etyl-terc-butyl-eter), bio-MTBE (metyl-terc-butyl-eter), biovodík, rostlinné oleje a syntetická paliva, jejichž složky jsou vyrobeny z biomasy. Pro zážehové motory jsou použitelnými biopalivy bioetanol, bioplyn, bio-ETBE, biometanol, bio-MTBE a biovodík. Pro vznětové motory pak bioetanol, bionafty, směsné motorové nafty a čisté rostlinné oleje.18 V další části se budu podrobněji zabývat současnými technickými možnostmi a podmínkami pro použití paliv získaných z biomasy. Ve dvacátých a třicátých letech 20. století se zabývaly firmy Deutz, Bosch, Mercedes-Benz, a Perins pokusy s různými rostlinnými oleji, např.: palmovým, arašídovým, bavlníkovým a sójovým. Při testech bylo zjištěno, že rostlinné oleje snižovaly výkonové parametry naftových motorů a velmi rychle znehodnocovaly motorový olej. Vzhledem k nízkým cenám a dostatku paliv ropného původu nebyl do 80. let 20. století o rostlinné oleje a bionafty výraznější zájem.19

5.2.1.

Rostlinné oleje

Největší význam pro jejich výrobu má ve střední Evropě řepka olejka, a to vzhledem k velkým osevním plochám, dosahovaným výnosům, vyřešené technologii sklizně a také univerzálnosti produkce.20

Obr. 3: Lán s řepkou olejkou21

18

Srov.: LAURIN, J. Biopaliva pro vznětové motory, In: Ekoenergie, s. 67-69.

19


20


21

http://fotky.sme.sk/fotka/37108/repka-olejna - [cit. 2009-04-04].

16

5.2.1.1.

Výroba oleje

Olej vyráběný z řepky olejky je poměrně snadnou záležitostí. Konvenční získávání oleje v potravinářském průmyslu je prováděno lisováním a extrakcí ve velkých centrálních zařízeních s výkonností až 150 t/hod a výtěžností 98-98, 5%. V těchto zařízeních se obvykle provádí mechanické drcení, lisování a mokrá extrakce zbytku oleje z výlisků po předcházejícím zahřátí. V zemědělském podniku, kde se pracuje pouze s mechanickým lisováním, není možné tak vysoké výtěžnosti dosáhnout. I při optimální práci malých lisů (5 100 kg/h) se dosahuje výtěžnosti 70-80 %. Používají se šnekové kontinuálně pracující lisy. Při využití k pohonu motorů musí být řepkový olej zbaven především kalu. Odkalení se provádí několikadenní sedimentací, tlakovou filtrací nebo odstředěním. Požadavkem obchodu je maximálně 0,5 % podílu vody a nečistot. Pro dlouhodobý provoz je též významný obsah fosfátů v oleji. Vysoký obsah fosfátů může zcela poškodit nebo zničit motor. V současnosti jsou zkoušeny metody odstraňování fosfátů z oleje. Pokusy bylo zjištěno, že obsah fosfátů je možno ovlivnit způsobem lisování. U jednoduchých lisů počtem otáček šneku a teplotou při lisování.22

5.2.1.2.

Využití neupraveného rostlinného oleje

Řepkový olej pro pohon motorů se využívá buď v čisté, nebo chemicky upravené formě. Využití čistého řepkového oleje je spojeno s nutným použitím speciálních motorů. 5.2.1.2.1.

Upravený motor podle Elsbetta

Elsbettovy motory jsou odlišným řešením vznětových motorů. Liší se konstrukcí spalovacího prostoru a jiným způsobem vstřikování paliva. Dvoudílný litinový píst se pohybuje v litinovém válci. Ve dně pístu je kulovitý spalovací prostor, do kterého se tangenciálně vstřikuje palivo čepovou tryskou. Vzduch se ve spalovacím prostoru víří ve šroubovici. Spalování paliva proto probíhá tak, že na špičce trysky ani na povrchu spalovacího prostoru nevznikají usazeniny. Tento motor může být chlazen pouze olejem, neboť samotné spalování probíhá v pístu, který musí být intenzivně chlazen ostřikem dna olejem. Zásadně se každý motor Elsbett spouští na běžnou motorovou naftu, na kterou systém přepíná před ukončením jízdy. Na řepkový (nebo jiný) olej se provoz převádí až 22


17

po zahřátí motoru na provozní teplotu. Produkce CO a CO2 je v porovnání s motorovou naftou výrazně nižší, nižší je též emise NOX a kouřivost. Obsah aldehydketonů a aromatických sloučenin je naopak vyšší. Spaliny mají ostřejší a štiplavější zápach.23

Obr. 4: Elsbettův píst24 5.2.1.2.2.

Přednosti a nedostatky

Čisté rostlinné oleje mají jako motorová paliva nevhodné vlastnosti, zejména vysokou viskozitu, velmi nízké cetanové číslo, nízkou výhřevnost, vysokou teplotu tání, malou tepelnou a oxidační stabilitu. Pro použití v motorech s přímým vstřikem paliva musí být olej pro snížení viskozity

předehříván

na

teplotu

alespoň

70o C.

Ve

spalovacím

prostoru,

na vstřikovacích tryskách, ale i v palivovém systému mohou vznikat po delší době provozu motoru úsady. Rostlinné oleje způsobují rychlejší stárnutí motorového oleje, a proto je nutné zkrátit intervaly pro jeho výměnu. Problematické je též spouštění a ohřev studeného motoru, takže pro tyto režimy bývá u mnohých motorů použita nafta. Nedostatkem je silné zakarbonování spalovacích prostorů motorů s přímým vstřikem paliva. Z ekologického hlediska je výhodou jejich nejedovatost. Palivo je rychle biologicky odbouratelné. Spaliny obsahují méně škodlivých produktů, než spaliny motorové nafty Obsah jednotlivých škodlivin ve výfukových plynech motorů provozovaných na rostlinné oleje závisí výrazně na konstrukčních a seřizovacích

23 24

Srov.: http://stary.biom.cz/clen/jv/pr5.html - [cit. 2008-10-01]. http://vegburner.co.uk/images2/elsbettbowl.gif - [cit. 2009-04-04].

18

parametrech motoru a na průběhu spalování.25 Vzhledem k výše uvedeným potížím nenalezly doposud oleje jako motorové palivo širší uplatnění.26

Graf 1: Vývoj výroby bionafty v Evropě27

5.2.1.3.

Bionafta

Bionafty jsou metylestery nebo etylestery mastných kyselin a získávají se transesterifikací triglyceridů obsažených v olejích nebo v tucích. Surovinami mohou být rostlinné oleje (řepkový, palmový, slunečnicový, sójový, lněný, ale lze použít i upotřebené fritovací oleje) nebo živočišné tuky (hovězí lůj, drůbeží nebo vepřové sádlo, rybí tuk). V současné době se více jak 80 % bionafty vyrábí z řepkového oleje. Jedná se o metylester řepkového oleje, tzv. MEŘO. K výrobě jedné tuny MEŘO se spotřebuje 1 020 kg řepkového oleje a 110 kg metanolu. Z hektarového výnosu 2,7 tuny semen řepky se získá něco přes 1 tunu MEŘO a glycerin. 5.2.1.3.1.

Esterifikace

Celý proces je poměrně jednoduchý a v tukovém průmyslu běžně používaný. Esterifikaci je možno provádět ve velkých průmyslových zařízeních nebo v malých zařízeních se vsázkami 1 500 l a méně. Malá esterifikační zařízení se od velkých odlišují tím, že esterifikace probíhá při běžném tlaku a teplotě. Rostlinný olej

25


26


27

http://kfch.upce.cz/htmls/vedecka_cinnost_bionafta_evropa.htm - [cit. 2009-04-04].

19

uskladněný v cisterně se čerpadly dopraví do nádoby reaktoru. Esterifikační proces začíná přidáním louhu draselného a methylalkoholu do rostlinného oleje v reaktoru. Míchací zařízení zajistí promíchání směsi. Po proběhnutí esterifikace asi za 6-8 hodin se na základě různé hustoty směs rozdělí na dvě fáze. V první fázi methylester odteče do tepelného ohřívače, kde se oddělí zbylý methanol, který nevstoupil do reakce. Separace probíhá kontinuálně v koloně, kde se odstraní i případný zbytek glycerinu. Bionafta je vedena do zásobníku s pufrem (zpravidla kyselinou fosforečnou), kde je prováděna zkouška kvality. Pokud je její výsledek příznivý, je pohonná hmota vedena do zásobníku bionafty. V druhé fázi se směs glycerinu s olejem neutralizuje kyselinou fosforečnou. Následně se odstředivkou oddělují pevné částice, které vstupují do sušárny, odkud vychází jako konečný produkt hodnotné fosforečné hnojivo. Poté se ze zbylé tekutiny v diskovém separátoru oddělí olej od glycerinu. Olej lze využít jako topný. Glycerin se po vyčištění dá použít ve farmaceutickém průmyslu.28 Tento proces lze schématicky znázornit následovně:

Řepkový olej je tvořen přibližně z 97 % triglyceridy, zbytek představují diglyceridy a monoglyceridy, volné mastné kyseliny, lipidy atd. Triglycerid je sloučenina glycerinu a mastných kyselin. Při esterifikaci dochází působením jednoduchých alkoholů (ethanol, methanol) za přítomnosti vhodného katalyzátoru (hydroxid draselný, sodný) k záměně glycerinu za alkohol a jeho vazbě se zbytkem mastné kyseliny na estery. V praxi probíhá reakce s přebytkem alkoholu, jehož zbytek se po skončení reakce ze vzniklé směsi odstraňuje. Podíl katalyzátoru tvoří 1-3 % z množství řepkového oleje. 5.2.1.3.2.

Přednosti a nedostatky bionafty

Bionafta vytvořená esterifikací rostlinného oleje zlepšuje proces hoření a snižuje viskozitu látky, takže se více přibližuje motorové naftě. Sníží se měrná hmotnost olejů, proto se v porovnání s motorovou naftou zvýší spotřeba paliva o 7-10 % při stejné tepelné účinnosti. Seřízením motoru lze dosáhnout stejných výkonů, jako při provozu na naftu. Z ekologického hlediska je výhodou jejich nejedovatost a plná biologická

28


20

odbouratelnost při případném úniku do půdy při havárii. Zplodiny jsou prakticky bez SO2, proti naftě mají méně uhlovodíků a sazí. Emise CO2 jsou prakticky stejné, vyšší je jen obsah některých oxidů dusíku. Palivo je použitelné bez úprav motorů. Vzhledem k nižší výhřevnosti se asi o 5 % snižuje výkon. U motorových olejů dochází k ředění, proto je nutno častěji kontrolovat jejich jakost. Methylester lze bez problémů mísit s naftou, zvyšují se nároky na použití pryžových materiálů a plastů, které přicházejí do styku s palivem. Nevhodný je přírodní kaučuk a styrol (butadienový kaučuk). Studený start je možný do -10° C. Pro použití v motoru je nutný souhlas výrobce.29 Z řady negativních vlastností bionaft lze uvést nízkou tepelnou a oxidační stabilitu vedoucí ke vzniku usazenin při skladování a k tvorbě viskózních směsí, které mohou ucpávat palivový systém, především filtry. Za přítomnosti vody probíhá hydrolýza esterů a vzniklé produkty mohou za určitých podmínek polymerizovat. Při déle trvajícím odstavení motoru může docházet k zalepení funkčních součástí palivového příslušenství motoru. Dochází k rychlejšímu znehodnocování motorového oleje, vyžadující častější výměnu. Po přechodu z používání nafty na bionaftu se rozpouští úsady na palivovém systému a nepříznivě ovlivňují funkci palivových filtrů a vstřikovacích trysek.30

5.2.2.

Směsné motorové nafty

Směsné motorové nafty jsou směsi nafty s menším podílem bionafty, např.: 5, 10, 30 i více procent. U směsných motorových naft s nižším podílem bionafty se nepříznivé vlastnosti bionaft projevují v menší míře. Úroveň škodlivých výfukových emisí při provozu na směsné motorové nafty závisí na poměru bionafty a motorové nafty ve směsi.31

5.2.3.

Emulzní motorová nafta

Alternativním palivem, které má příznivé vlastnosti, je emulze motorové nafty obsahující 85 % motorové nafty, 13 % vody a 2 % dalších přísad, převážně emulgačních činidel, která zajišťují velmi malou velikost kapek rozptýlené vody. Používá se hlavně ve Francii a Itálii. Emulgovaná nafta, kterou vyrábí společnost Elf,

29


30


31


21

nese obchodní označení Aquazole. Vozidla mohou bez úprav spalovat i aquazole, avšak při nezměněném seřízení palivové soustavy motoru dochází k poklesu výkonu motoru o 10-15 %. Při takovém provozu jsou výrazně sníženy emisní hodnoty u pevných částic až o 80 % a oxidu dusíku až o 30 % vzhledem k emisím vznikajícím spalováním klasické motorové nafty. Aquazole připravovaný z nafty s velmi malým obsahem síry je ve zkušebním provozu a umožňuje použití katalytických filtrů pevných částic. Vstřikování emulze motorové nafty s vodou příznivě ovlivňuje průběh spalovacího procesu. Dochází ke snížení kouřivosti motoru v důsledku snížení teploty plamene a možnosti menšího přebytku vzduchu potřebného ke spalování. Dochází také k poklesu obsahu dusíku ve výfukových plynech. Závažným problémem je zabezpečení stability vzniklé emulze při dlouhodobém skladování (v řádech několika měsíců). Náklady na výrobu emulzí motorové nafty značně zvyšují její cenu.32

5.2.4.

Bioetanol

Bioetanol se získává lihovým kvašením zemědělských plodin. V místech se subtropickým a tropickým podnebím se nejčastěji využívá cukrová třtina, v Evropě jsou výchozími plodinami výroby bioetanolu obilí, cukrová řepa, brambory a kukuřice. V klimatických podmínkách ČR je nejvýhodnější obilí, a to pšenice nebo tritikále (česky žitovec – kříženec žita a pšenice). Z jedné tuny pšenice se získá asi 360 l etylalkoholu. Z hektaru pšenice je výnos cca 5,6 tun pšenice, z níž lze vyrobit přibližně 2 100 l bioetanolu. V porovnání s naftou má bioetanol nižší výhřevnost, nízkou vznětlivost vyjádřenou cetanovým číslem 7 a velmi malou mazací schopnost. Cetanové číslo je veličina označovaná zkratkou CČ nebo CN, udávající kvalitu motorové nafty z hlediska její vznětové charakteristiky. Čím vyšší cetanové číslo palivo pro vznětové motory má, tím je kvalitnější. Motor s přímým vstřikováním v takovém případě lépe startuje, má lepší výkon, tišší a hladší chod a také výfukové plyny obsahují méně nežádoucích zplodin hoření. Díky lepšímu výkonu klesá spotřeba pohonných látek. To vše vede ke snižování zátěže životního prostředí. Kvůli nízké výhřevnosti je měrná spotřeba bioetanolu vyšší než spotřeba nafty, takže palivový systém motorů se musí pro bioetanol přizpůsobit. Značné problémy může vyvolat i malé množství vody v palivu, která na sebe váže bioetanol. Bioetanol může způsobit korozi některých součástí, zejména palivového příslušenství motoru a působí agresivně na některé plasty a pryže. 32

Srov.: VLK, F. Paliva a maziva motorových vozidel, s. 160-162.

22

Tyto nepříznivé vlastnosti lze úspěšně ovlivnit přísadami na bázi nitrátů a éterů, které se do bioetanolu přidávají dle doporučení jejich výrobců v množství 4-12 %. Vznětový motor na bioetanolové palivo je pak mírně odlišný od naftového motoru, protože vlastnosti bioetanolu jsou až na jeho výhřevnost upraveny pomocí přísad tak, aby byly blízké vlastnostem nafty. Kvůli nižší výhřevnosti bioetanolu je nutné přizpůsobit palivové příslušenství motoru tak, aby umožnilo výrazné zvýšení vstřikované dávky až 1,7krát. Kvůli lepšímu průběhu spalování bývá pro provoz na bioetanol zvyšován kompresní poměr původního naftového motoru až na 28:1. Řada měření výfukových škodlivin motoru ukázala, že v porovnání s emisemi při provozu na naftu dochází ke snížení obsahu pevných částic, snížení obsahu oxidů dusíku a ke značnému zvýšení obsahu oxidu uhelnatého a nespálených uhlovodíků ve výfukových plynech. Bioetanol nemá v současnosti u vznětových motorů v Evropě (s výjimkou

Švédska)

příliš

široké

uplatnění.

Městské

autobusy

s motory

optimalizovanými pro provoz na bioetanolové palivo označované E95 vyrábí firma SCANIA. Přibližně 400 městských autobusů je provozováno ve Stockholmu a asi 250 autobusů v dalších městech.33

5.2.5.

Biometanol

Výroba biometanolu ze dřeva je ve světě známá již velmi dlouho. Metanol však často vystupoval pouze jako vedlejší produkt při výrobě dřevěného uhlí, a to s velmi malým výtěžkem. Dnes se situace radikálně změnila. Dřevěné uhlí ztratilo na významu a metanol se stal pro motorová vozidla důležitým palivem. Největší množství metanolu je produkováno v Brazílii, USA a Švédsku. Metanol je pro člověka jedovatá látka, je to čistá kapalina bez zápachu, která se v přírodě vyskytuje jen ojediněle. Metanol je možné vyrobit nejen z biomasy, ale i z některých fosilních paliv, např. ze zemního plynu nebo z uhlí. Nevýhodou výroby metanolu z biomasy je jeho dvojnásobná cena v porovnání se syntetickým metanolem vyrobeným ze zemního plynu. Zajímavostí je také to, že z metanolu je možné vyrobit benzín, avšak celý proces výroby probíhá s energetickou ztrátou, a proto se nevyužívá. Metanol je možné převést na vysoce oktanové palivo při relativně nízkých nákladech. Takové palivo neobsahuje síru a velmi málo znečišťuje životní prostředí. Při výrobě metanolu jsou dvě důležité otázky. Jaké množství biomasy je třeba na výrobu, a jaký je poměr získané a vložené energie z takové výroby. 33


23

Ze zkušenosti vyplývá, že z jedné tuny suché biomasy lze vyrobit 700 litrů metanolu. Poměr získané energie (metanol) a vložené energie na jeho produkci je závislý hlavně na způsobu výroby. Při výrobě metanolu z obnovitelných zdrojů je tento poměr velmi příznivý.34

5.2.6.

Bioplyn

Bioplyn se získává metanogením kvašením organických látek. Nejběžnějšími látkami jsou chlévská mrva, prasečí kejda nebo odpady v městských čistírnách (kalový plyn). Bioplyn je tvořen směsí plynů (55-75 % metan, 25-40 % oxid uhličitý, 1-3 % další plyny - vodík, dusík, sirovodík). Bioplyn pro účely pohonu motorových vozidel je nutno zbavit přebytku nežádoucích příměsí, zejména oxidu uhličitého a sirovodíku. Pro rychlé čerpání se stlačuje na tlak 250-300 barů, tlak v nádrži je 50-100 barů. Výhodou jsou nižší emise proti benzínu a asi 30% úspora nákladů na palivo. Nevýhodou současného používání bioplynu jako pohonné hmoty je jeho omezené množství a pouze lokální využití. Bioplyn v dopravě nachází nejširší uplatnění v Evropě (Švédsko, Dánsko, Rakousko, Švýcarsko, Francie a Itálie), ale i mimo Evropu (USA, Brazílie, Chile, Nový Zéland).35

5.3. Elektromobily Největší výhodou elektromobilů je převádění elektrické energie na pohyb s účinností 90 % (v případě asynchronního motoru) oproti 30-40 % účinnosti spalovacího motoru. Celková účinnost pohonu samozřejmě také závisí na účinnosti výroby elektřiny pro pohon z primárního zdroje a energetické účinnosti použitých akumulátorů či palivových článků (ta se pohybuje kolem 50-80 % podle použité technologie – olovo, NiMH, Li-ion, Li-pol). Na rozdíl od běžného automobilu lze ale zvyšovat využití energie tzv. rekuperací v praktickém provozu až o 25 %, je to možné zvláště v městském provozu či v členitém terénu. Elektromobily neprodukují svým provozem

výfukové

plyny,

a i

se započítáním

výroby elektrické energie

ze „špinavějších“ zdrojů (např.: hnědé uhlí) je jejich bilance vlivu na životní prostředí obvykle lepší než u automobilů se spalovacími motory. 34 35

Srov.: VLK, F. Paliva a maziva motorových vozidel, s. 156-158. Srov.: VLK, F. Alternativní pohony motorových vozidel,

motorových vozidel, s. 158-159.

24

s. 116-117; VLK, F. Paliva a maziva

Náklady na provoz elektromobilů tvoří přibližně z 1/5-1/9 cena elektrické energie (nižší hodnota platí pro kombinaci olovo a odběr elektřiny v nejlevnějším, tzv. nočním, tarifu) a zbytek provozní ceny pak amortizace akumulátoru. V přepočtu nákladů na kilometr jsou náklady se spalovacím motorem téměř srovnatelné, záleží na druhu provozu. Pohonné ústrojí se spalovacím motorem vykazuje však mnohem rychlejší a snadnější opotřebení. V současné době jsou vyvíjeny také automobily s hybridním pohonem, které kombinují výhody elektromobilů (úspora rekuperací) a automobilů se spalovacím motorem (malá měrná hmotnost pohonu). Ty jsou považovány za vhodný mezikrok při transformování automobilového průmyslu.36 Povědomí o elektromobilech je pokřivené neinformovaností, žádnou podporou ze strany státních institucí a sdělováním zastaralých informací lidmi, kteří by měli mít relevantní vědomosti, nemají však snahu se vzdělávat, informovat i přijmout podanou ruku. Emise elektromobilů nejsou místní, mnohdy žádné - nabíjet lze i z vodních, fotovoltaických či větrných elektráren. Pokud se využívá energie od ČEZu, jsou i v tomto případě emise pod úrovní Toyoty Prius (nejznámější a hodně propagované vozidlo s hybridním pohonem a s velmi nízkou spotřebou).37 Mezi výhody elektromobilů patří nízká hlučnost, snadné ovládání, úspora místa, absence emisí, možnost okamžitého maximálního výkonu, úspora energie a možnost využívat obnovitelnou energii s velkou účinností.38 I přes výrobu elektřiny v tepelných elektrárnách studie uvádí cca 70% snížení CO2 na ujetý km v síti s většinovou výrobou proudu z uhlí, tedy jako v ČR, a snížení dalších částic CO, NOx asi o 80-95 %. Elektromotor má jen několik součástek s prakticky neomezenou životností a ostatní, výše jmenovaná zařízení, nepotřebuje vůbec, nebo je potřebuje mnohem méně (např. brzdové destičky díky brzdění rekuperací).39 K nevýhodám patří omezený dojezd, cena, dostupnost, problémy s recyklací baterií a chybějící infrastruktura.40

36

Srov.: http://www.cs.wikipedia.org/wiki/Elektromobil - [cit. 2008-11-27].

37

Srov.: http://www.petrol.cz/alternativa/clanek.asp?id=11186 - [cit. 2009-01-15].

38

Srov.: VEGR, J. Elektromobily-historie a současnost. In: http://www.pro-energy.cz/clanky7/3.pdf - [cit.

2008-10-10]. 39


40

Srov.: http://www.ceskyelektromobil.cz/projekt/ekologie.html - [cit. 2008-12-20].

25

Dnes používané akumulátory, principiálně shodné s těmi v mobilních telefonech, jsou bezpečné, vstřícné k životnímu prostředí, neobsahují jedovaté komponenty a nakumulují dostatek energie potřebné k ujetí několika stovek kilometrů.41

Obr. 5: VW Golf CitySTROMer42

5.4. Hybridní pohon a vodík U hybridního pohonu lze využívat výhody jednotlivých pohonů. Palivový článek je měnič, v němž se uvolňuje chemická energie během oxigoredukční reakce a transformuje se v energii elektrickou. Získanou elektrickou energii můžeme použít např. k napájení elektromotoru, který pohání vozidlo. Vývoj těchto článků je zaměřen zejména na pohonné jednotky pro osobní automobily s typickými výkony v řádu desítek kilowatů. Téměř všechny významné automobilky se již zabývají technologiemi pohonu motorových vozidel vodíkem a palivovými články, např.: GM testuje vůz, který

41

Srov.: VEGR, J. Elektromobily-historie a současnost. In: http://www.pro-energy.cz/clanky7/3.pdf - [cit.

2008-10-10]. 42

http://klub.elektromobily.org/wiki/Bazar_elektromobil%C5%AF - [cit. 2009-04-04].

26

k pohonu používá tekutý vodík. Společnost Toyota a Honda již vyvinuly své vlastní modely aut, jejichž pohon zajišťují palivové články pracující na bázi vodíku. Na podobném vývoji pracují i evropské automobilky BMW, Mercedes či VW.43

Obr. 6: Sériový, paralelní a smíšený pohon44 Za účelem snížení nevýhod elektromobilu (malý akční rádius, malý jízdní výkon, dlouhá doba dobíjení akumulátoru) a zajištění provozu bez emisí, se nabízí kombinace provozu na palivo (benzin či nafta) s elektromotorem, tzv. hybridní pohon.45 Hybridní pohon představuje kombinaci spalovacího motoru a elektrické trakce jako u elektromobilu. Nejčastěji je používán v silniční a železniční dopravě. Automobil, který má hybridní pohon, využívá více než jeden zdroj energie.46 Hybridní pohony využívají výhod jednotlivých pohonů při různých pracovních stavech vozidla. Mezi hybridní pohony patří odzkoušený sériový hybridní pohon - kombinace spalovacího motoru s elektromotorem a akumulátorem. Tento sériový pohon je při jízdě na krátké

43

Srov.: BENEŠ, Š.C. Energetické využití palivových článků. In: Ekoenergie, s. 77.

44

VLK, F. Alternativní pohony motorových vozidel, s. 124.

45

Srov.: VLK, F. Koncepce motorových vozidel. s. 229.

46

Srov.: http://www.odmaturuj.cz/fyzika/alternativni-paliva-a-hybridni-pohon/ - [cit. 2009-03-22].

27

vzdálenosti (jízda po městě aj.) poháněn stejnosměrným točivým strojem. Stroj se napájí jako elektromotor elektrickou energií z akumulátoru. U elektropohonu oceňujeme nízkou hlučnost, žádné výfukové zplodiny a vysokou účinnost elektromotoru (asi 90 %).47 U pohonu spalovacím motorem velký dojezd vozidla, v střední a vyšší oblasti otáček vysoký točivý moment a možnost jízdy vysokou rychlostí. Mezi největší výhodu tohoto kombinovaného pohonu patří možnost použití jednotlivých pohonů v oblasti nejvyšší účinnosti, čímž se zajišťuje snížení spotřeby energie. Nevýhodou pohonu jsou vysoké pořizovací náklady, zvýšení hmotnosti vozidla o hmotnost akumulátoru a zmenšení úložných prostor ve vozidle.48

Obr. 7: Ukázka hybridního pohonu49 Hybridní automobil využívá elektronický systém, který je nastaven tak, aby neustále vyhodnocoval možnost využití těchto energií během jízdy a měnil aktuálně režim elektromotoru na režim generátoru dodávajícího elektřinu do vysokonapěťových speciálních baterií vozidla. Následně je možné tuto vyrobenou elektrickou energii využívat pro podporu funkce benzínového motoru (např. při akceleraci, při jízdě 47

Srov.: http://cs.wikipedia.org/wiki/Hybridn%C3%AD_pohon - [cit. 2008-11-27].

48

Srov.: http://www.auto-motory.com/hybridni-pohon/ - [cit. 2009-02-15].

49

http://www.chip.cz/cs/clanky/automobily-zeleny-trend.html - [cit. 2009-04-04].

28

do kopce, apod.). Spotřeba benzínu je pak citelně nižší, což má za následek i menší množství emisí a díky tomu zvýšenou ochranu životního prostředí. Úspora paliva je přímo úměrná velikosti podílu elektromotoru na celkovém provozu vozidla.50

5.5.

Zhodnocení paliv

Jako motorové palivo se začal v ČR v roce 1992 vyrábět metylester řepkového oleje (MEŘO). Vzhledem k problémům, které čistý MEŘO v provozu působil, se začala dodávat směsná motorová nafta, tj. motorová nafta s MEŘO. V současnosti se směsné motorové nafty vyrábějí smísením motorové nafty vyhovující ČSN EN 590 a MEŘO podle ČSN EN 14217. Na základě ustanovení zákona č. 180/2007 Sb. je od září 2007 do motorové nafty v ČR přimíchávána bionafta. Splnění tohoto požadavku neznamená, že by veškerá distribuovaná nafta měla obsah právě 2 %, ale přidané množství bionafty se může pohybovat v rozmezí 0-5 %. V Roce 2008 byla spotřeba MEŘO 86 000 tun, v roce 2009 se předpokládá 198 000 tun. Veřejné čerpací stanice pohonných hmot pro bioetanol a rostlinné oleje se v ČR vyskytují zřídka.51 K rostlinným olejům, ale i k bionaftě a směsným motorovým naftám zaujímají velmi kritická stanoviska evropská sdružení výrobců automobilů (EAMA). Pro automobilové vznětové motory připouštějí použít motorovou naftu s nejvýše 5 % objemu bionafty nebo s nejvýše 5 % objemu rostlinného oleje.52 Hybridní pohon obecně znamená kombinaci několika zdrojů energie pro pohon jednoho vozidla. V tomto případě se jedná o kombinaci benzínového motoru a elektromotoru, což je v současnosti nejlépe propracovaná varianta hybridního vozidla. Hybridní vůz obsahuje dva motory - obecně známý spalovací motor a elektromotor. Benzínový motor má účinnost pouze okolo 30 %, při provozu navíc produkuje jedovaté zplodiny a CO2. Elektromotor má v podstatě jen samé výhody (95% účinnost, žádný hluk, nulové emise) a jen jednu nevýhodu – potřebuje ke svému provozu elektřinu.

50

Srov.: http://www.uspora-energie.info/referencni-projekty/cista-jizda-hybridnimi-vozy/hybridni-pohon

.html - [cit. 2009-03-22]. 51


52


29

Hybridní vozy využívají pro pohon elektromotoru svoji vlastní elektřinu vyrobenou během jízdy z přebytečné kinetické energie při brzdění, nebo při běžné ustálené jízdě (bez plynu).53 Využívání úrodné půdy a plodin k výrobě biopaliv vede k oprávněným obavám o dostatek potravin. V roce 2008 se odehrávala po celém světě vzrušená diskuse o biopalivech. Stále se vedou spory o to, zda jde skutečně o „čistší" energii a zda její využívání jako paliva nevede k neúměrnému zdražování jídla v nejchudších zemích.54 Zpráva Organizace pro hospodářskou spolupráci a rozvoj (OECD) nedávno ostře kritizovala využití biopaliv a konstatovala, že podpora těchto paliv vede k prudkému růstu cen potravin a k ničení přírody. Plodiny pěstované v Evropě a USA k produkci čistých biopaliv mohou mít podle některých studií na klima horší vliv než paliva z ropy. Při spalování zelených paliv se uvolňuje velké množství skleníkových plynů (např. NOx).55

53

Srov.: http://www.uspora-energie.info/referencni-projekty/cista-jizda-hybridnimi-vozy/hybridni-pohon

.html - [cit. 2009-03-22]. 54


55

Srov.: HAMPLOVÁ, L. Biopaliva škodí klimatu víc než ropa, tvrdí studie. In: http:// ekonomika.ihned.cz

/cl-23283305-biopaliva-skodi-klimatu-vic-nez-ropa-tvrdi-studie - [cit. 2009-04-03].

30

6. Experimentální

měření

vozidla

s pohonem

na rostlinné oleje 6.1.

Měřené vozidlo

Pro experiment bylo použito vozidlo Volkswagen Golf III 1,9 TDI, které bylo upraveno pro provoz na rostlinný olej pomocí dvoupalivového systému. Úprava vozu spočívá v instalaci druhé palivové nádrže s menším objemem a systémem pro ohřev rostlinného oleje. Původní nádrž ve vozidle je plněna rostlinným olejem a menší nádrž naftou. Nafta je využita ke startu a ohřátí motoru na provozní teplotu, při jejím dosažení je systém přepojen na čerpání paliva (rostlinného oleje) z velké nádrže. Rostlinný olej z velké nádrže prochází ohřívacím zařízením ke vstřikovacímu čerpadlu motoru, což zajišťuje vhodnou viskozitu pro bezproblémové vstřikování paliva do motoru.56 Tab. 1: Charakteristika motoru volkswagen Golf 1,9 TDI57 Výrobce

VW,Wolfsburg,SRN

Rok výroby

1996

Proběh

250 000 km

Počet válců

4

Jmenovitý výkon

66 kW při 4200 ot/min

Max. točivý moment

210 Nm při 1900 ot/min

Vrtání

81 mm

Zdvih

91,5 mm

Kompresní poměr

19,5:1

Chlazení motoru

kapalinové

Mezichladič stlač. vzduchu

vzduch-vzduch

Přeplňování

turbokompresor s regulaci plnícího tlaku

Vstřikovací systém

rotační vstřikovací čerpadlo Bosch, dvoupalivový systém

56

Srov.: HLAVENKA, T. Využití rostlinných olejů jako alternativních paliv. s. 16-17.

57

HLAVENKA, T. Využití rostlinných olejů jako alternativních paliv. s. 16.

31

6.2. Výsledky měření 58 Tab. 2: Porovnání točivého momentu motoru na NM a RO

Graf 2: Porovnání točivého momentu motoru na NM a RO

58

Měření převzato z: HLAVENKA, T. Využití rostlinných olejů jako alternativních paliv. s. 24-32.

32

Tab. 3: Porovnání výkonu motoru na NM a RO

Graf 3: Porovnání výkonu motoru na NM a RO

33

Tab. 4: Porovnání měrné korigované objemové spotřeby na NM a RO

Graf 4: Porovnání měrné korigované objemové spotřeby na NM a RO

34

6.3.

Zhodnocení

Naměřené hodnoty točivého momentu (viz. Tab. 2 a Graf 2: Porovnaní točivého momentu motoru na NM a RO) a výkonu motoru (viz. Tab. 3 a Graf 3: Porovnání výkonu motoru na NM a RO) jsou při provozu na rostlinný olej o 1-3 % vyšší než při provozu na naftu. Průměrná hodnota měrné korigované spotřeby (viz. Tab. 4 a Graf 4: Porovnání měrné korigované objemové spotřeby na NM a RO) byla při provozu na rostlinný olej o 2-5 % nižší než při provozu na naftu. Z experimentu proto vyplývá, že automobil provozovaný na rostlinný olej vykazuje lepší hodnoty u všech třech kritérií měření (výkon motoru, točivý moment a spotřeba). Hlavní nevýhodou je vstupní investice do přestavby palivového systému.

35

7. Závěr Moje bakalářská práce podává základní ucelený přehled alternativních paliv. Zabývá se jejich přednostmi a nedostatky, vlivem na životní prostředí a vhodností použití v běžném provozu. Alternativní pohon je řešením do budoucnosti. Mezi přechodná řešení patří hybridní pohon, což je vozidlo poháněné dvěma nezávislými zdroji energie. Dalším přechodným řešením je pohon s využitím zemního plynu (CNG, LNG). Využití alternativních paliv má také svá negativa. Masivní využití biopaliv může být příčinou vzrůstajícího nedostatku potravin a jejich zvyšující se ceny. Řešením by byla výroba biopaliv druhé generace, které se nevyrábějí z potravinářských komodit, ale z biomasy (biologického a jiného odpadu). Z uvedeného příkladu měření je patrné, že i moderní dieselové motory jsou schopné, po nutných úpravách a při dodržení jednoduchým zásad, spalovat surový rostlinný olej bez vážných poškození. Při dlouhodobém provozu (130 000 km) mého vozidla Volkswagen Caravelle 2,4d na různá paliva (nafta, MEŘO, čistý rostlinný olej, použitý rostlinný olej a směsi nafty s rostlinným olejem v různém poměru) nedošlo k žádnému závažnému poškození na motoru či palivovém systému. Do budoucnosti bych se chtěl zaměřit na jeden druh alternativního paliva, pravděpodobně rostlinný olej, na jeho historii, současnost i budoucnost.

36

Seznam obrázků Obr. 1: Světové zásoby ropy v roce 2008

10

Obr. 2: Kompletní sada na přestavbu LPG

15

Obr. 3: Lán s řepkou olejkou

18

Obr. 4: Elsbettův píst

20

Obr. 5: VW Golf CitySTROMer

30

Obr. 6: Sériový, paralelní a smíšený pohon

31

Obr. 7: Ukázka hybridního pohonu

33

Seznam tabulek Tab. 1: Charakteristika motoru volkswagen Golf 1,9 TDI

36

Tab. 2: Porovnání točivého momentu motoru na NM a RO

37

Tab. 3: Porovnání výkonu motoru na NM a RO

38

Tab. 4: Porovnání měrné korigované objemové spotřeby…

39

Seznam grafů Graf 1: Vývoj výroby bionafty v Evropě

21

Graf 2: Porovnání točivého momentu motoru na NM a RO

37

Graf 3: Porovnání výkonu motoru na NM a RO

38

Graf 4: Porovnání měrné korigované objemové spotřeby

39

37

Seznam literatury BENEŠ, Š. C. Energetické využití palivových článků. In: Ekoenergie, 10/2008. HLAVENKA, T. Využití rostlinných olejů jako alternativních paliv. Bakalářská práce. Brno: AF MZLU, 2007. HAMPLOVÁ, L.: Biopaliva škodí klimatu víc než ropa, tvrdí studie. In: Economia, a.s. [online].

Praha.

[cit.

2009-04-03].

Dostupný

z WWW:

LAURIN, J. Biopaliva pro vznětové motory, In: Ekoenergie, 10/2008. ROŠKANIN, M. Paliva jsou od ledna „zelenější“. In: PETROL magazín, 1/2009, Třebíč: Petrolmédia s.r.o., 2009. SHAUHUBEROVÁ, M. Využívání zemního plynu v dopravě, In: Ekoenergie, 10/2008. VEGR, J.: Elektromobily-historie a současnost. In: Pro-energy magazín. [online]. Praha. [cit. 2008-10-10]. Dostupný z WWW: VLK, F. Koncepce motorových vozidel: Koncepce vozidel, alternativní pohony, komfortní systémy, řízení dynamiky, informační systémy. Brno: Nakladatelství a vydavatelství Vlk, 2000. VLK, F. Paliva a maziva motorových vozidel. Brno: Nakladatelství a vydavatelství Vlk, 2006. VLK, F. Alternativní pohony motorových vozidel. Brno: Nakladatelství a vydavatelství Vlk, 2004.

Seznam ostatních pramenů 21.

STOLETÍ.

[online].

Praha.

[cit.

2009-01-10].

Dostupný

z WWW:

Dostupný

z WWW:

AUTO

MOTORY.

[online].

Praha.

[cit.

2009-02-15].

CZ

BIOM.

[online].

Praha.

[cit.

2008-10-01].

Dostupný

z WWW:

ČESKÝ

ELEKTROMOBIL

[online]. Praha. [cit. 2008-12-20]. Dostupný z WWW:

38

EBAY

EUROPE S.À R.L. [online]. Luxembourg. [cit. 2009-04-04]. Dostupný z WWW:

anlage-LPG-von-der-Marke-

Tartarini_W0QQitemZ1703209 55445QQihZ007QQcategoryZ42604QQssPageNameZWDVWQQrdZ1QQcmdZVie wItem> EKOLIST.CZ.

[online].

Praha.

[cit.

2008-02-19].

Dostupný

z WWW:

CHIP.CZ

[online].

Praha.

[cit.

2009-04-04].

Dostupný

z WWW:

KATEDRA

FYZIKÁLNÍ CHEMIE PŘI FAKULTĚ CHEMICKO-TECHNOLOGICKÉ UNIVERZITY

PARDUBICE.

[online]. Pardubice. [cit. 2009-04-04]. Dostupný z WWW:
kfch.upce.cz/htmls/vedecka_cinnost_bionafta_evropa.htm> KLUB.ELEKTROMOBILY.ORG.

[online].

[cit.

2009-04-04].

Dostupný

z WWW:

ODMATURUJ.CZ.

[online].

[cit.

2009-03-22].

Dostupný

z WWW:

PETIT PRESS,

A.S.

[online]. Bratislava. [cit. 2009-04-04]. Dostupný z WWW: <

http://fotky.sme.sk/fotka/37108/repka-olejna> PETROLMEDIA,

S.R.O.

[online]. Třebíč. [cit. 2009-01-15]. Dostupný z WWW:

PRAŽSKÁ

ENERGETIKA,

A.S. [online]. Praha. [cit. 2009-03-22]. Dostupný z WWW:

ncni-projekty/cista-jizda-hybridnimi-

vozy/hybridni-pohon. html> VEGBURNER. DARREN HILL. [online]. New York. [cit. 2009-04-04]. Dostupný z WWW: WIKIPEDIA

[online].

San

Francisco.

[cit.

2008-11-27].

Dostupný

z WWW: ZEMĚDĚLSTVÍ

A PRŮMYSL SVĚTA

[online]. [cit. 2009-04-04]. Dostupný z WWW:

39

Alternativní paliva pro automobily

Recommend Documents