MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE
BRNO 2010
JIŘÍ HONZÍREK
Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy
Alternativní paliva pro vznětové motory Bakalářská práce
Vedoucí práce: Ing. Jiří Čupera, Ph.D.
Vypracoval: Jiří Honzírek
Brno 2010
PROHLÁŠENÍ
Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma Alternativní paliva pro vznětové motory vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Bakalářská práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího diplomové práce a děkana Agronomické fakulty Mendelovy univerzity v Brně.
dne………………………………………. podpis řešitele..….……………………….
Poděkování Tímto bych chtěl poděkovat Ing. Jiřímu Čuperovi, Ph.D. za odborné vedení mojí bakalářské práce a poskytnutí cenných rad a připomínek. Dále bych chtěl poděkovat Ing. Tomáši Šmerdovi, Ph.D. za poskytnutí podkladů a rad k vypracování této bakalářské práce.
Anotace V mojí bakalářské práci „Alternativní paliva pro vznětové motory“ pojednávám o současné situaci na trhu s pohonnými hmotami a důvodech, které vedou k zavádění alternativních paliv. Dále u jednotlivých alternativních paliv popisuji jejich výrobu, použití a klady a zápory s nimi spojené. V závěru hodnotím perspektivu rozšíření konkrétních alternativních paliv v kratším i delším časovém horizontu.
Klíčová slova Vznětový motor, ropa, palivo, biopalivo, emise, zemní plyn, oxid uhličitý.
Annotation In my bachelor thesis titled “Alternative fuels for diesel engines” I deal with the current trade situation with fuels and reasons why alternative fuels are nowadays put into practice. Further, I describe particular alternative fuel processes, their utilization and I discuss the pros and cons connected with them. At last, I attempt to assess a perspective of alternative fuel expansion in both, the short and the long term.
Key words Diesel engine, petroleum, fuel, biofuel, emissions, natural gas, carbon dioxide.
OBSAH 1 ÚVOD............................................................................................................................ 8 2 CÍL PRÁCE ................................................................................................................... 9 3 SOUČASNÁ SITUACE .............................................................................................. 10 3.1 Ropa ...................................................................................................................... 10 3.1.1 Základní informace o ropě............................................................................. 10 3.1.2 Těžba a zpracování ropy ................................................................................ 10 3.1.3 Nevýhody využití ropy .................................................................................. 12 3.2 Alternativní paliva ................................................................................................ 13 3.3 Současná situace v České republice...................................................................... 14 4 KAPALNÁ PALIVA................................................................................................... 15 4.1 Rostlinné oleje ...................................................................................................... 15 4.1.1 Výroba rostlinných olejů ............................................................................... 15 4.1.2 Využití rostlinných olejů jako paliva pro vznětové motory .......................... 16 4.2 Bionafta................................................................................................................. 17 4.2.1 Výroba MEŘO............................................................................................... 18 4.2.2 Vlastnosti MEŘO........................................................................................... 19 4.2.3 Směsná nafta .................................................................................................. 20 4.3 Alkoholová paliva................................................................................................. 20 4.3.1 Etanol ............................................................................................................. 21 4.3.1.1 Výroba bioetanolu z cukrové řepy.......................................................... 22 4.3.1.2 Výroba bioetanolu z obilovin ................................................................. 22 4.3.1.3 Vlastnosti bioetanolu .............................................................................. 23 4.3.2 Metanol .......................................................................................................... 23 4.4 Syntetická paliva................................................................................................... 24 4.4.1 Výroba syntetických paliv z biomasy............................................................ 25 4.4.1.1 Pyrolýza biomasy................................................................................... 25 4.4.1.2 HTU ........................................................................................................ 26 4.4.1.3 Nepřímá konverze biomasy na pohonné hmoty ..................................... 26 4.4.2 Výroba syntetických paliv ze zemního plynu................................................ 27 4.4.3 Výroba syntetických paliv z uhlí ................................................................... 27 5 PLYNNÁ ALTERNATIVNÍ PALIVA ....................................................................... 28 5.1 Historie plynných paliv......................................................................................... 28
5.2 Zemní plyn ............................................................................................................ 28 5.2.1 Plnící stanice CNG......................................................................................... 30 5.2.2 Klady a zápory zemního plynu v dopravě ..................................................... 31 5.3 Bioplyn.................................................................................................................. 33 5.4 Propan – butan ...................................................................................................... 34 6 ZÁVĚR ........................................................................................................................ 36 7 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY ......................................................................... 38 SEZNAM OBRÁZKŮ.................................................................................................... 41 SEZNAM TABULEK .................................................................................................... 41
1 ÚVOD Automobily jsou jedním ze symbolů naší civilizace a jen málokdo z nás si bez nich dokáže představit svůj život. Jejich pohon dnes v naprosté většině zajišťují spalovací motory, které pro svoji práci využívají paliva vzniklá rafinací ropy. V této bakalářské práci se zabývám možnostmi náhrady motorové nafty jinými palivy, která mohou sloužit jako zdroj energie pro vznětové motory. Impulsem pro zavádění alternativních paliv v dopravě jsou především rychle se tenčící světové zásoby ropy a velký podíl dopravy na znečištění životního prostředí při spalování ropných paliv. Náhradu za motorovou naftu mohou v kratším časovém horizontu představovat jiná fosilní paliva, jejichž světové zásoby se odhadují na delší dobu než v případě ropy: •
zemní plyn (zkapalněný LNG, stlačený CNG),
•
syntetická paliva vyrobená ze zemního plynu nebo z uhlí.
Další náhradou motorové nafty mohou být biopaliva vyrobená z obnovitelných zdrojů energie: •
rostlinné oleje a jejich metylestery,
•
bioetanol,
•
biometanol,
•
tzv. biopaliva druhé generace,
•
další paliva z obnovitelných zdrojů.
8
2 CÍL PRÁCE Cílem bakalářské práce na téma „Alternativní paliva vznětových motorů“ je především vytvořit přehled jednotlivých paliv, která by bylo možno po určitých úpravách či bez úprav spalovat ve vznětových motorech místo motorové nafty a využít pro pohon osobních i nákladních automobilů, autobusů, zemědělské a stavební techniky či lokomotiv na neelektrifikovaných železničních tratích. Chci uvést výhody a nevýhody jednotlivých alternativních paliv, ekologický přínos, popsat jejich výrobu a uvést důvody, které jim v současnosti brání v rozšíření. V závěru práce se snažím vybrat paliva, která se v kratším časovém horizontu nejvíce rozšíří.
9
3 SOUČASNÁ SITUACE 3.1 Ropa 3.1.1 Základní informace o ropě Ropa je světle žlutá až černá kapalná směs uhlovodíků fosilního původu o hustotě 0,73 až více než 1 t.m-3. Obsahuje 80 až 85 % uhlíku, 10 až 15% vodíku, 4 až 7% síry a malý podíl dusíku (VLK, 2006). Ropa je lidem známá již od starověku, v Evropě se začalo s její destilací v 17. století. Původ ropy není dodnes zcela objasněn, o jejím vzniku existují 2 teorie. Podle anorganické teorie ropa vznikla reakcí vody s karbidy těžkých kovů. Organická teorie říká, že ropa vznikla rozkladem živočišných a rostlinných zbytků za zvýšeného tlaku a teploty. K organické teorii se přiklání většina vědců.
3.1.2 Těžba a zpracování ropy Ložiska ropy se obvykle nalézají stovky metrů až několik kilometrů pod zemským povrchem mezi dvěma nepropustnými vrstvami často spolu se zemním plynem. Ropa se těží hlubinnými vrty, a to na pevnině nebo ze dna moří a oceánů. Pokud při těžbě ropa samovolně vyvěrá na povrch, jedná se o tzv. primární způsob těžby. Tlak potřebný k samovolnému vytékání či dokonce tryskání ropy zajišťuje zemní plyn. Až dojde k poklesu tlaku, nastupuje tzv. sekundární způsob těžby. V tomto případě je ropa z podzemí čerpána čerpadly nebo je tlak udržován zpětným pumpováním zemního plynu, vzduchu či vodní injektáží. Pokud ani sekundární způsob těžby nedokáže zamezit poklesu produkce a těžba je stále ekonomická, je možné využít tzv. terciální způsob těžby. V tomto případě je zvyšována viskozita ropy injektáží vodní páry nebo se část ložiska zapálí. Průměrná vytěžitelnost ložisek se pohybuje pouze okolo 35 % (CÍLEK, 2007). Mezi největší světové producenty ropy patří například Rusko, USA, Saúdská Arábie, Čína, Mexiko, Venezuela, Írán a Norsko. Ropný průmysl rozděluje ropu podle jejího původu (např. West Texas Intermediate, WTI nebo Brent) a často také podle její hustoty (lehká, light, středně těžká, intermediate a těžká, heavy); rafinérie ji také mohou označovat jako „sladkou“ (sweet), což znamená, že obsahuje relativně málo síry, nebo jako „kyselou“ (sour), což znamená, že tato ropa 10
obsahuje více než 0,5 % síry a vyžaduje náročnější zpracování, aby vyhověla současným normám (www.ropa.cz). Před základním zpracováním destilací je třeba z ropy odstranit příměsi vody a solí. Při destilaci jsou oddělovány jednotlivé frakce ropy na základě jejich rozdílných bodů varu. Ropa se ohřívá v trubkových pecích a dále je odváděna do atmosférické destilační kolony. Po oddělení frakcí zůstává nedestilující zbytek – mazut. Mazut je poté přečerpán do vakuové kolony, kde se díky sníženému tlaku sníží také destilační teploty. Frakce z atmosférické destilace: • plyny, • benzinová frakce, • petrolej, • plynový olej, • destilační zbytek (mazut). Frakce z vakuové destilace: • vakuový plynový olej, • olejový destilát I, • olejový destilát II, • olejový destilát III, • destilační zbytek (asfalt) (VLK, 2006). Motorová nafta, která slouží pro pohon vznětových motorů, se vyrábí míšením plynového oleje a petroleje. Poměr těchto složek je rozdílný v letním a zimním období. Pro výrobu pohonných hmot lze také využít frakce z vakuové destilace, které obsahují uhlovodíky s dlouhými molekulami. Tyto molekuly se štěpí na kratší tzv. krakováním. Krakování se dělí na termické, katalycké a hydrogenační. U vznětového motoru je nasáván čistý vzduch, který se stlačuje kompresním poměrem 1:12 až 1:20 a ohřeje se na teplotu 600-900 0C. Při následném vstříknutí nafty dochází k zapálení, které by mělo proběhnout co nejrychleji, jinak dochází k tzv. tvrdému chodu. Stupnice charakterizující náchylnost k tvrdému chodu se nazývá cetanové číslo. U motorové nafty je žádoucí cetanové číslo 50-60.
11
3.1.3 Nevýhody využití ropy Hlavní důvody, které vedou k hledání alternativ za konvenční ropná paliva naftu a benzin, jsou dva. Spalování ropných produktů se výrazně podílí na produkci emisí škodlivých plynů, z nichž nejobávanější je v poslední době CO2, který způsobuje tzv. skleníkový efekt. Skleníkový efekt zapříčiňuje oteplování zemské atmosféry, což vede k tání ledovců a následnému vzestupu hladin moří a oceánů.
Tab.3.1 Emise CO2 podle prognózy Mezinárodní energetické agentury IEA (VLK, 2004) Rok 1990 1997 2010 2020 Emise
[Gt]
20,8
22,5
29,6
36,1
Druhým důvodem jsou omezené světové zásoby ropy. Za jak dlouho lidstvu „dojde ropa“ se jen velmi těžko odhaduje. Roli v tom hraje jednak skutečnost, že se stále objevují nová ložiska a také se vzrůstajícími světovými cenami ropy se vyplácí obnovovat těžbu tam, kde již byla v minulosti nerentabilní. Nedá se očekávat, že by se jednoho dne veškerá ropa na Zemi vytěžila, avšak s jejími klesajícími zásobami poroste cena neúměrně vysoko. Podle Hubbertovy teorie ropného vrcholu dosáhne těžba ropy svého vrcholu a poté již bude pouze klesat. Ropný vrchol byl již v minulosti v celosvětovém měřítku několikrát nesprávně předpovězen.
Tab.3.2 Známé rezervy ropy a její celosvětová spotřeba (VLK, 2004) Jedn. 1985 1990 1995 2000 Známé rezervy
[Gt]
95,5
135,7
137,9
139,7
Ročně vytěženo
[Gt]
2,7
3,2
3,3
3,4
Statická zásoba
[roky]
35
42
42
41
Rizikem přílišného fixování světového hospodářství na ropu je také fakt, že velká část ropných polí se nalézá v nestabilních regionech.
12
3.2 Alternativní paliva Snaha o potlačení negativních důsledků využívání konvenčních ropných paliv v dopravě vedla Evropskou unii k zavedení Akčního plánu a směrnice Evropského parlamentu
a
Rady
2003/30/EC
o
podpoře
využívání
biopaliv
nebo
jiných obnovitelných zdrojů v dopravě. Akční plán definuje strategii jak dosáhnout 20% substituci klasických paliv palivy alternativními (z toho 8 % biopaliv) do roku 2020 (Zpráva pro Evropskou komisi k realizaci směrnice Evropského parlamentu a Rady 2003/30/EC z 8. května 2003).
Tab.3.3 Scénář rozvoje alternativních paliv v EU do roku 2020 (www.cvut.cz) Rok
Biopaliva (%)
Zemní plyn (%)
Vodík (%)
Celkem (%)
2005
2
2010
5,75
2
2015
(7)
5
2
(14)
2020
(8)
10
5
(23)
2 7,75
Ze směrnice Evropského parlamentu a Rady 2003/30/EC vyplývá povinnost členských států EU zajistit podíl biopaliv z celkového množství prodaných paliv v letech: 2005 – 2%, 2006 – 2,75%, 2007 – 3,5%, 2008 – 4,25%, 2009 – 5%, 2010 – 5,75%. Alternativní paliva jsou jiná paliva než motorová nafta a benzin. Biopaliva jsou paliva vyrobená z biomasy. Nyní se komerčně vyrábějí tzv. biopaliva první generace, nejčastěji se jedná o metylester řepkového oleje a bioetanol vyrobený z obilí nebo cukrové řepy. Zavádění biopaliv první generace s sebou přineslo mnoho negativních důsledků, proto se intenzivně vyvíjejí tzv. biopaliva druhé generace. Pro výrobu druhé generace biopaliv nejsou vstupními surovinami potraviny. Jedná se například o bioetanol vyráběný z lignocelulózy nebo syntetická paliva vyrobená z biomasy technologií BTL, HTU či pyrolýzou.
13
3.3 Současná situace v České republice Česká republika je závislá na dovozech ropy, neboť na našem území se ropa těží jen ve velmi malých objemech především na jihovýchodní Moravě. Těžbou ropy se v tuzemsku zabývá společnost Moravské naftové doly. České rafinérie jsou zásobovány ropovody Družba a IKL. Ropovod Družba k nám dopravuje přes Slovensko, Ukrajinu a Bělorusko ropu z Ruské federace. Ropovodem IKL k nám proudí z německého Ingoldstadtu ropa pocházející z Ázerbájdžánu a Kazachstánu. Zpracováním ropy se u nás zabývá holding Unipetrol v rafinériích v Litvínově, Kralupech nad Vltavou a Pardubicích. Kromě produktů tuzemských rafinérií se k nám dováží pohonné hmoty především ze slovenské rafinerie Slovnaft. V souladu s předpisy Evropské unie jsou u nás do nafty i benzinu přimíchávána biopaliva, jejichž podíl se postupně zvyšuje.
Obr.3.1 Spotřeba ropy v České republice (www.czso.cz)
Obr.3.2 Těžba ropy v České republice (www.czso.cz) 14
4 KAPALNÁ PALIVA 4.1 Rostlinné oleje 4.1.1 Výroba rostlinných olejů Rostlinný olej lze získat z více než 300 druhů rostlin. V České republice se vyrábí především z řepky olejné. Dalšími ve světě vyráběnými rostlinnými oleji jsou například slunečnicový, palmový, sojový a kokosový olej. V roce 2008 bylo na území České republiky oseto řepkou olejnou 356 924 ha orné půdy s celkovým výnosem 1 048 943 tun semen (www.czso.cz). V hospodářském roce 2002/2003 disponovali čeští výrobci kapacitou pro zpracování 500 717 tun řepky pro účely paliv a následnou výrobu 156 474 tun MEŘO (VLK 2004). V roce 2008 se u nás vyrobilo přibližně 117 000 m3. Olejnatá semena je možno lisovat za studena (bez předehřevu) nebo za tepla (s předehřevem na 80 až 90 0C). Zbylý olej obsažený v pokrutinách lze získat extrakcí průmyslovým rozpouštědlem, např. hexanem. Po filtraci výsledného produktu se rozpouštědlo oddestiluje a vrací se znovu do procesu. Lisováním a extrakcí vzniká tzv. surový olej, který obsahuje mnoho nežádoucích příměsí, a proto je nutné jej dále rafinovat. Lisováním za tepla a následnou extrakcí lze získat až 98 % oleje obsaženého v semenech. Zbylé pokrutiny se využívají jako krmivo pro hospodářská zvířata. Na jednom hektaru půdy lze vypěstovat asi 3 000 kg semen řepky olejné a z nich získáme přibližně 1200 kg surového řepkového oleje.
Obr.4.1 Linka na lisování rostlinných olejů za studena (www.farmet.cz)
15
4.1.2 Využití rostlinných olejů jako paliva pro vznětové motory Spalováním rostlinných olejů ve vznětových motorech se zabýval konstruktér Rudolf Diesel, který již v roce 1900 představil na světové výstavě v Paříži motor, který běžel na olej z podzemnice olejné (VLK, 2004). Nižší cena a lepší vlastnosti benzínu a nafty však rozšíření rostlinných olejů jako paliv zabránily. V sedmdesátých letech dvacátého století, po vypuknutí tzv. ropné krize, se však rostlinné oleje opět dostaly do popředí zájmů konstruktérů. Vlastnosti rostlinných olejů se od motorové nafty značně liší, a proto je zapotřebí přizpůsobit vznětový motor provozu na rostlinné oleje nebo provést úpravu fyzikálně-chemických vlastností oleje. V zásadě se používají dva různé principy úpravy, aby se dosáhlo bezporuchového spalování rostlinného oleje i přes jeho vyšší kinematickou viskozitu a vyšší bod vzplanutí než má motorová nafta. Řešení se samostatnou nádrží pro naftu a rostlinný olej. Naftou se vozidlo nastartuje a provozuje tak dlouho, až rostlinný olej v ohřáté nádrži dosáhne požadované provozní teploty. Potom se převede na pohon rostlinným olejem. Několik minut před odstavením vozidla se opět převede na provoz naftou, aby se soustava dodávky pohonné hmoty a vstřikovací soustava propláchly. Řešení s jednou nádrží. Praktikují se různá řešení, například elektrický předehřev rostlinného oleje před startem a předehřívání během provozu motoru, jakož i použití jiných zapalovacích svíček a vstřikovacích trysek. K překonání vyššího bodu tuhnutí je v závislosti na venkovní teplotě přimícháváno do nádrže minimální množství nafty (PASTOREK, 2004). Přestavba vznětových motorů na spalování čistých rostlinných olejů je ovšem složitá, a proto se dává přednost úpravám fyzikálně-chemických vlastností těchto olejů esterifikaci.
16
Obr.4.2. Palivové příslušenství vozidlového motoru na rostlinný olej a naftu (www.biom.cz)
4.2 Bionafta Esterifikací rostlinných olejů, případně živočišných tuků, vznikají metylestery mastných kyselin - FAME, které se svými vlastnostmi blíží klasické motorové naftě. V České republice je nejrozšířenější metylester řepkového oleje – MEŘO, v zahraničí označovaný jako RME (rapeseed methyl ester). MEŘO vzniká při reakci řepkového oleje s metanolem a v čisté podobě je označováno jako tzv. bionafta první generace. Termín bionafta vznikl překladem z německého Biodiesel. U nás se bionafta první generace nepoužívá, ale můžeme se s ní setkat například v sousedním Německu nebo Rakousku. Na našem trhu se v současnosti vyskytuje tzv. bionafta druhé generace. Bionafta první i druhé generace musí být z 90 % biologicky odbouratelná v průběhu 21 dní.
17
4.2.1 Výroba MEŘO Nejprve se v metanolu rozpustí vhodný katalyzátor, například hydroxid sodný a vzniklá směs se spolu s řepkovým olejem přivede do uzavřeného reaktoru. Z důvodu dosažení téměř úplné přeměny triglyceridů na metylestery se používá přebytek metanolu (molární poměr 4-20:1), použité množství katalyzátoru se pohybuje v rozmezí 0,31,5 % hmotnosti vztaženo na surovinu. Reakční teplota se obvykle pohybuje v rozmezí 50-80 0C, reakční doba je 1 až 8 hodin (ŠEBOR, 2006). V dalším kroku je nutné oddělit MEŘO od glycerolů. Obě fáze je zapotřebí zneutralizovat anorganickou kyselinou a oddělit metanol, který je recyklován. Pro odstranění zbytků mýdel a katalyzátoru se MEŘO promyje teplou vodou a nakonec se zbaví zbytků vody. Vedlejším produktem při výrobě metylesteru je glycerin, který se dále zpracovává v kosmetickém průmyslu. Při výrobě 1000 kg MEŘO vzniká asi 100 kg glycerinu. Složení MEŘO je: •
asi 98 % metylesterů mastných kyselin řepkového oleje,
•
do 1 % směsi mono-, di- a triglyceridů,
•
do 0,3 % volných mastných kyselin,
•
do 0,3 % metanolu,
•
do 0,02 % volného glycerolu.
Zbytek tvoří nezmýdelnitelné látky (VLK, 2004).
Obr.4.3 Zjednodušený proces výroby MEŘO (VLK, 2006) 18
4.2.2 Vlastnosti MEŘO Technické, energetické a ekologické vlastnosti bionafty první generace jsou formulovány v ČSN 65 6507 : MEŘO, biopalivo pro vznětové motory (VLK, 2004). Energetická bilance MEŘO (poměr mezi energií vynaloženou na pěstování a dopravu řepky olejné, lisování oleje, esterifikaci a energií získanou) je kladná, uvádí se poměr asi 1 : 1,4 (30,5 GJ.ha-1 : 44,9 GJ.ha-1), což je více než v případě alkoholových paliv. Po připočtení energie obsažené v odpadech při výrobě MEŘO (sláma 43 GJ.ha-1, pokrutiny 31 GJ.ha-1 a glycerol 1,9 GJ.ha-1 ) je tento poměr dokonce 1 : 4. Výhodou MEŘO i ostatních biopaliv je, že při pěstování rostlin pro jejich výrobu dochází k přeměně oxidu uhličitého z atmosféry fotosyntézou na kyslík a při jejich spalování se oxid uhličitý vrací zpět do atmosféry → uzavřený okruh → nezvyšuje se množství oxidu uhličitého v atmosféře, a proto nedochází ke globálním změnám klimatu. Při použití MEŘO místo motorové nafty dochází k významnému snížení obsahu polyaromatických uhlovodíků a tuhých částic ve výfukových plynech a nulovým emisím oxidu siřičitého. Obsah oxidu uhelnatého a uhlovodíků ve výfukových plynech je při spalování MEŘO srovnatelný s provozem na motorovou naftu, obsah oxidů dusíku je dokonce vyšší, avšak kouřivost se sníží o 50%. Emise lze dále snížit použitím tzv. oxidačního katalyzátoru. Další výhoda MEŘO, jakožto i dalších biopaliv, spočívá ve využití zemědělské půdy pro nepotravinářské účely → omezení nadprodukce potravin, při zachování pracovních míst v zemědělství a udržení kulturního vzhledu krajiny. Provoz vznětových motorů na MEŘO přináší také řadu nevýhod. V důsledku nižší výhřevnosti MEŘO (37,1 – 40,7 MJ.kg
-1
) v porovnání s motorovou naftou (42,5
MJ.kg1) dochází k poklesu výkonu o asi 5 % a zvýšení hodinové spotřeby o asi 4 %. Další nevýhodu představuje tvorba tzv. SOF látek, které se usazují na pohyblivých i nepohyblivých částech motoru a zvýšené množství látek nerozpustných v oleji, což vede k nutnosti výměny motorového oleje již v polovině jeho životnosti. MEŘO poškozuje části palivového systému vyrobené z pryže, a proto je nutná jejich náhrada díly z plastických hmot. Pro provoz při teplotách nižších než 5 0C musí být dodána vhodná aditiva, která předcházejí problémům se startováním a dopravou paliva. Z těchto důvodů došlo k přechodu na tzv. bionaftu druhé generace.
19
Tab.4.1 Porovnání vlastností MEŘO, čistého řepkového oleje a nafty (VLK, 2004) Nafta s nízkým MEŘO Čistý obsahem síry řepkový olej Cetanové číslo 46 61,2 42,6 0 Bod varu [ C] 191 347 311 0 2 -1 Kin. viskozita při 20 C [mm .s ] 5,1 7,5 77,8 0 2 -1 při 50 C [mm .s ] 2,6 3,8 25,7 Obsah síry [%hmot.] 0,036 0,012 0,022 Obsah dusíku [ppm] 0 6 Zbytkový obsah uhlíku [%] 0,15 0,02 0,025 Výhřevnost [Mj.kg-1] 44,5 40,6 40,4 -3 Hustota [kg.m ] 845,9 880,2 906,6
4.2.3 Směsná nafta Bionafta druhé generace obsahuje minimálně 31 objemových procent MEŘO, zbytek tvoří ropné uhlovodíky. Jedná se o lehké nebo těžké alkany a tzv. střední bezsirný destilát. Technické parametry bionafty druhé generace jsou uvedeny v normě ČSN 65 6508. Výhodou této směsné nafty oproti čistému metylesteru je minimální rozdíl ve výkonu a spotřebě v porovnání s motorovou naftou, snižuje se však její ekologický přínos. S tímto směsným palivem se již dnes na našich čerpacích stanicích nesetkáváme příliš často. Od září 2007 se MEŘO povinně přimíchává do motorové nafty, počátkem dubna 2010 se plánuje zvýšení jeho obsahu ze 4,5 % na 6,3 % (SVĚT MOTORŮ, 48/2009).
4.3 Alkoholová paliva Podobnými vlastnostmi jako konvenční paliva (nafta a benzin) se vyznačují alkoholy nižších skupin – etanol (ethylalkohol, CH3CH2OH) a metanol (methylalkohol, CH3OH). Tyto alkoholy lze získat ze surovin obsahujících sacharidy, škrob nebo celulózu. Metanol lze vyrábět také synteticky ze zemního plynu nebo uhlí. Oba alkoholy mají schopnost vázat vodu, která způsobuje korozi a v případě použití směsného paliva voda separuje frakce a degraduje palivo. Při provozu vznětových motorů na čistý alkohol je nutné z důvodu velmi nízkého cetanového čísla tyto motory vybavit pomocným zapalovacím systémem nebo pro zvýšení cetanového čísla použít aditiva na bázi organických nitridů. Přidáním vhodných 20
aditiv se také řeší problémy s nízkými mazacími schopnostmi alkoholových paliv. Nízká výhřevnost alkoholů vyžaduje celkovou úpravu palivového systému, který musí zabezpečit 1,7 násobné zvýšení dodávky paliva (VLK, 2004). Více využívaným alkoholovým palivem je etanol, a to především v zážehových motorech. Pro provoz vznětových motorů směsným palivem alkoholu s motorovou naftou není přídavného zapalovacího systému zapotřebí.
Tab.4.2 Vybrané parametry motorové nafty a alkoholů (VLK, 2006) parametr motorová nafta metanol etanol cetanové číslo hustota při 20 0C
kg.m -3
bod varu
0
výhřevnost
MJ.kg -1
C
40 - 55
5
8
820 - 860
791
789
18 - 370
65
78,5
41,8
19,7
26,8
4.3.1 Etanol Etanol vyrobený ze zemědělských produktů se nazývá bioetanol. Pro jeho výrobu jsou zapotřebí suroviny, které obsahují jednoduché sacharidy nebo látky, které lze na jednoduché sacharidy převést – škrob a celulóza. Tyto látky jsou obsaženy v běžně pěstovaných zemědělských plodinách – např. cukrová řepa, cukrová třtina, obilniny, brambory a také v dřevních odpadech a travách. Bioetanol vzniká z vhodných surovin kvasným způsobem působením enzymů při tzv. lihovém kvašení. Kvašení by mělo probíhat bez přístupu vzduchu v uzavřených fermentačních tancích při teplotě 27 až 32 0C po dobu 24 až 36 hodin. Výsledná koncentrace bioetanolu je 6-13 %, v závislosti na vstupní surovině. Vedlejším produktem kvašení je CO2. Při následné destilaci vzniká nejvýznamnější vedlejší produkt výroby bioetanolu – lihové výpalky, které lze zužitkovat jako krmivo pro hospodářská zvířata. V bývalém Československu se etanol používal pro účely provozu zážehových motorů již mezi světovými válkami ve směsi s benzínem a benzolem pod obchodním označením DINOL. V České republice se v současnosti jeví jako výhodné vyrábět bioetanol pro pohon motorových vozidel kvasným způsobem z cukrové řepy a obilovin. Od počátku roku
21
2008 se u nás bioetanol povinně přimíchává do benzínu. Počátkem dubna 2010 by mělo dojít ke zvýšení podílu bioetanolu v benzínu z 3,5 na 4,5 %
(SVĚT MOTORŮ,
48/2009).
4.3.1.1 Výroba bioetanolu z cukrové řepy Pro výrobu bioetanolu lze použít cukrovou řepu nebo vedlejší produkty z výroby cukru – např. melasa, těžká šťáva. Při průměrném výnosu 48 740 kg.ha-1 bulev cukrové řepy o cukernatosti 16 % lze z 1 ha získat 4 755 litrů bioetanolu, avšak energetická bilance (energie na výstupu/energie na vstupu) je jen 1,3 (VLK, 2006). V české republice je od roku 2006 v provozu lihovar na výrobu bioetanolu z cukrové řepy s kapacitou 100 000m3 bioetanolu ročně, provozovaný společností Agroetanol TTD, a.s. Dobrovice (www.cukrovaryttd.cz). Ve zkušebním provozu se nacházejí lihovary ve Vrdech a Trmnici, nedostavěné jsou doposud lihovary v Hustopečích a Bíšově.
Obr.4.4 Blokové schéma výroby bioetanolu z cukrové řepy (ŠEBOR, 2006)
4.3.1.2 Výroba bioetanolu z obilovin Výroba bioetanolu z obilovin je složitější než z cukrové řepy, neboť je zapotřebí nejprve přeměnit škrob na jednoduché monosacharidy. Na výrobu jednoho litru bioetanolu je zapotřebí asi 2,8 kg obilí (VLK, 2004). Například v roce 2007 byl v Jihomoravském kraji průměrný hektarový výnos pšenice 4,54 t (www.czso.cz), z jednoho hektaru osetého pšenicí lze tedy získat asi 1621 litrů bioetanolu. Energetická bilance je ještě méně příznivá než v případě výroby bioetanolu z cukrové řepy, pouze 1,1 (VLK, 2006). 22
Obr.4.5 Blokové schéma výroby bioetanolu z obilovin (ŠEBOR, 2006)
4.3.1.3 Vlastnosti bioetanolu Mezi výhody použití bioetanolu ve vznětových motorech patří nižší emise pevných částic ve výfukových plynech v porovnání s motorovou naftou, snížení závislosti na dovozu ropy, využití zemědělských přebytků, udržení kulturního vzhledu krajiny a tvorba nových pracovních míst na venkově. Naopak nevýhodou bioetanolu je nutnost úpravy motoru a palivové soustavy, neboť způsobuje korozi, poškozuje plastické hmoty, odstraňuje olej, má výrazně nižší výhřevnost oproti ropným palivům a má nízké cetanové číslo. Problémy mohou nastat také při tankování etanolu, neboť jeho výpary mají negativní dopad na schopnost řidiče řídit vozidlo. Přílišné rozšíření bioetanolu s sebou nese také riziko neúnosného zvýšení světových cen potravin. Ekologické přednosti bioetanolu snižuje skutečnost, že většina jeho spotřeby je kryta v současnosti dovozem na velké vzdálenosti, například z Brazílie.
4.3.2 Metanol Většina světové produkce metanolu pochází z fosilních paliv, neboť cena jeho výroby ze zemního plynu je poloviční oproti produkci z biomasy. Zajímavostí je, že z metanolu lze vyrobit i benzín, avšak celý tento proces výroby probíhá s energetickou ztrátou, a proto se nevyužívá (VLK, 2004). Zkoumá se také možnost využití metanolu
23
v palivových článcích pro pohon elektromobilů. Dehydratací metanolu se vyrábí dimetyléter (DME), který je vhodným palivem pro vznětové motory. Z jedné tuny suchého dřeva lze získat 550 litrů metanolu, při použití travní suroviny získáme asi 450 litrů metanolu. V České republice se v současnosti metanol nevyrábí. Výhody a nevýhody použití metanolu jsou podobné jako u etanolu, přičemž metanol se vyznačuje ještě jednou zásadní nevýhodou - je toxický při vdechnutí i při kontaktu s kůží.
4.4 Syntetická paliva Syntetická paliva pomocí Fischer-Tropschovy syntézy vyrábělo z uhlí jako náhradu benzínu a nafty za druhé světové války Německo a Jihoafrická republika v době apartheidu. V bývalém Československu se touto technologií vyráběl do 60. let minulého století benzín z uhlí v závodě v Litvínově. Kromě uhlí lze vyrábět syntetická paliva také ze zemního plynu nebo biomasy. Mezi syntetická paliva použitelná pro provoz vznětových motorů patří metanol, dimetyléter (DME) a syntetická motorová nafta. Vzhledem k výrazně vyšším světovým zásobám zemního plynu a uhlí v porovnání s ropou a možnosti využití biomasy jako vstupní suroviny, mohou být v budoucnosti syntetické pohonné hmoty náhradou nafty a benzínu. Jejich výhodou je také skutečnost, že nekonkurují potravinám. Syntetická paliva neobsahují síru a mají nízký obsah aromátů, což má za následek nižší emise škodlivých látek ve výfukových plynech než v případě konvenčních paliv.
24
Tab.4.3 Vlastnosti DME, syntetické a klasické motorové nafty (MN) (ŠEBOR, 2006) Vlastnosti paliva
DME
Molekulová hmotnost (g/mol)
Syntet. MN
Klasická
z FT syntézi
MN
46
Cetanové číslo
170-200
55-60
>74
50
Hustota při 15 C (g/cm )
0,67
0,78
0,84
Výhřevnost (MJ/kg)
28,4
44
42,7
Výhřevnost (MJ/l)
18,8
34,3
35,7
0
3
Stachiometrický poměr vzduch/palivo (hm.)
9
0
Teplota samovznícení ( C) 0
2
Kinematická viskozita při 20 C (mm /s)
14,5
235
250
250
<1
3,6
4
72
77
(u kap. DME) 0
Bod vzplanutí ( C)
-42
4.4.1 Výroba syntetických paliv z biomasy Přeměna biomasy na pohonné hmoty je považována za perspektivní a lze ji uskutečnit přímo nebo nepřímo několika termochemickými procesy. Přímou konverzi biomasy na pohonné hmoty lze realizovat pomocí pyrolýzy nebo HTU (Hydro Thermal Upgrading). V případě nepřímé konverze je z biomasy nejprve vyroben syntézní plyn, ze kterého se pomocí Fischer – Tropschovy syntézy získá syntetická ropa, která se dále zpracovává na pohonné hmoty.
Obr.4.6 Blokové schéma výroby kapalných paliv z biomasy FT syntézou (ŠEBOR, 2006)
4.4.1.1 Pyrolýza biomasy Při pyrolýze biomasy prováděné za nepřítomnosti kyslíku dochází k štěpení, krakování chemických vazeb v molekulách přítomných sloučenin při vysokých teplotách a výsledkem je na jedné straně vznik níže molekulárních plynných a kapalných produktů a na druhé straně vznik pevného uhlíkatého produktu, polokoksu. Množství reakčního 25
produktu a jeho složení závisí na teplotě, rychlosti ohřevu a době zdržení (ŠEBOR, 2006). Dle rychlosti ohřevu a reakční doby rozeznáváme pyrolýzu pomalou, standardní, rychlou a mžitkovou. Rychlá pyrolýza probíhá za atmosférického tlaku při středních teplotách reaktoru 450 – 600 0C a dobou setrvání v reakční zóně do dvou sekund. Hlavním produktem (75 % hmotnosti) jsou páry a aerosoly, které po rychlém zchlazení kondenzují na kapalinu o výhřevnosti 16 - 22 MJ.kg-1 (www.biom.cz). Tato kapalina je označovaná jako bio-olej. Plynný produkt slouží pro sušení vstupní suroviny. Bio-olej lze využít pro topení v kotlích a pecích nebo pro výrobu syntézního plynu a následně Fischer Tropschovou syntézou vyrobit syntetickou ropu.
4.4.1.2 HTU Jedná se o hydrotermické zpracování biomasy za přítomnosti vody vyvinuté firmou Shell, jehož výsledkem je kapalina podobná ropě – tzv. bio-ropa. Výhodou této technologie je skutečnost, že vstupní surovinu není třeba sušit jako v případě pyrolýzy. Vedlejšími produkty jsou plyny a voda. Bio-ropu lze dále zpracovávat na palivo pro vznětové motory.
4.4.1.3 Nepřímá konverze biomasy na pohonné hmoty Při nepřímé konverzi se nejprve vyrábí syntézní plyn, který je tvořen převážně CO a H2 a obsahuje dále CO2, CH4, H2O a N2. Syntézní plyn lze vyrobit zplyňováním biomasy ve zplyňovacích generátorech při teplotě 700 – 1200 °C parciální oxidací. V procesu lze použít vzduch nebo čistý kyslík (SOUČEK, 2006). Zplyňovací generátory mohou být s pevným, fluidním nebo unášivým ložem biomasy. Zpracovávat lze jakoukoliv lignocelulózovou a celulózovou biomasu. Ze syntézního plynu se Fischer-Tropschovou (FT) syntézou vyrobí syntetická ropa, což jsou alkany, alkeny a primární alkoholy: (2n +1) H2 + n CO
CnH2n+2 + n H2O
- alkany
2n H2 + n CO
Cn H 2n + n H2O
- alkeny
2n H2 + n CO
CnH2n+1 + (n-1) H2O - alkoholy
(SOUČEK, 2006) 26
Pro FT syntézu je nutná přítomnost Fe nebo Co katalyzátorů. Obvyklé reakční podmínky při výrobě těžké syntetické ropy jsou teplota 200-250 0C a tlak 2,5-6 MPa. Těžká syntetická ropa se následně hydrokrakuje na kvalitní motorovou naftu a ostatní motorová paliva, rozpouštědla, tvrdý parafin a některé další produkty (ŠEBOR, 2006). Výroba syntetické ropy ze syntézního plynu získaného z biomasy se označuje jako BTL (Biomass To Liquids).
4.4.2 Výroba syntetických paliv ze zemního plynu Výroba pohonných hmot ze zemního plynu je realizována nepřímo. Syntézní plyn je možné ze zemního plynu vyrobit parním reformováním, parciální oxidací nebo kombinací obou postupů. Další zpracování syntézního plynu je shodné jako v případě biomasy. Proces výroby syntetické ropy ze zemního plynu je označován GTL (Gas To Liquids). Dosud největší výrobna syntézních plynů byla postavena v rafinerii Moosgas v Jižní Africe, ve které se vyrábí ze zemního plynu syntetická ropa (ŠEBOR, 2006).
4.4.3 Výroba syntetických paliv z uhlí Na základě analýzy British Petroleum dosahuje životnost ekonomicky využitelných rezerv uhlí 224 let (VLK, 2004). Přeměna uhlí v pohonné hmoty je stejně jako v případě zemního plynu nepřímá. Uhlí se zplyňuje ve zplyňovacím generátoru parciální oxidací. Ze vzniklého syntézního plynu je možné FT syntézou získat syntetickou ropu a dále ji zpracovat na pohonné hmoty. Syntézní plyn se z uhlí v současnosti vyrábí pouze v závodech Sasol v Jižní Africe.
27
5 PLYNNÁ ALTERNATIVNÍ PALIVA 5.1 Historie plynných paliv K pohonu prvních vozidel se spalovacími motory nesloužila kapalná, nýbrž plynná paliva, konkrétně nestlačený svítiplyn. Již v roce 1807 patentoval Švýcar Issac de Rivaz vozidlo poháněné výbušným motorem spalujícím směs svítiplynu a vzduchu. Praktického využití však dosáhl až motor spalující svítiplyn patentovaný roku 1857 Francouzem
belgického
původu
Jeanem
Josephem
Etiennem
Lenoirem.
Zemní plyn – metan byl poprvé v historii použit v Ottově spalovacím motoru v roce 1872 (www.cng.cz). Před první světovou válkou byla plynná paliva vytlačena kapalnými – benzínem, naftou a petrolejem. Nedostatek kapalných paliv během obou světových válek znamenal dočasný návrat k plynným palivům. Například během první světové války připevňovali ve Velké Británii k nákladním automobilům gumové vaky plněné nestlačeným svítiplynem. Na našem území se v období druhé světové války používal pro provoz nejen silničních vozidel, ale i motorových vlaků dřevoplyn. Stlačený svítiplyn se začal používat k pohonu automobilů ve třicátých letech dvacátého století ve Francii. Přibližně ve stejné době se v Německu začal využívat zkapalněný uhlovodíkový plyn, který byl vedlejším produktem při výrobě benzínu z uhlí. Po konci druhé světové války v celé Evropě nastupují znovu kapalná paliva. K částečnému návratu plynu dochází až v osmdesátých a devadesátých letech zejména u autobusů městské hromadné dopravy.
5.2 Zemní plyn Zemní plyn je fosilní zdroj energie, jehož světové zásoby jsou podstatně vyšší než v případě ropy. Celkové světové zásoby zemního plynu, odhadované na 5,11.1014m3, by mělo lidstvo využívat až 200 let (ŠEBOR, 2006). Složení zemního plynu je prakticky neměnné, v České republice je rozhodující složkou zemního plynu metan, kterého obsahuje více než 98 % (VLK, 2006). Stejně jako ropa se po vytěžení zemní plyn zbaví pevných nečistot a vlhkosti, avšak z ropy se musejí kapalná paliva vyrobit v rafinériích. Pro účely pohonu dopravních prostředků se zemní plyn dodává jako stlačený – CNG (Compressed Natural Gas) nebo zkapalněný – LNG (Liquefied Natural Gas). 28
Za účelem zkapalnění je třeba ochladit zemní plyn na -162 0 C, proto je více využíván ve stlačené formě (tlak 20 MPa). Ve vozidlech upravených na provoz CNG lze použít jako palivo také bioplyn nebo plyn vyrobený zplynováním černého i hnědého uhlí. Pro spalování zemního plynu ve vznětovém motoru je zapotřebí přestavět tento motor tak, aby pracoval jako zážehový nebo spalovat spolu se zemním plynem také určité množství nafty. V České republice se výrobou motorů pro provoz na CNG zabývá holding Tedom, divize motory v Jablonci nad Nisou, nástupce někdejšího výrobce nákladních automobilů Liaz. Firma Tedom vyrábí motory ve stacionárních verzích nebo ve verzích pro pohon vozidel s atmosférickým plněním nebo přeplňované turbodmychadlem. Stacionární verze jsou dodávány s mechanickým výkonem 80,5 kW až 338 kW a jsou určeny především pro použití v kogeneračních jednotkách pro výrobu elektrické energie v bioplynových stanicích. Vozidlové verze CNG motorů Tedom disponují maximálním výkonem v rozmezí 180 kW až 260 kW a montují se do městských a příměstských autobusů firmy Tedom (www.tedom.cz).
Obr.5.1 Vozidlový a stacionární CNG motor Tedom (www.tedom.cz) CNG verze svých autobusů nabízejí také další dva čeští výrobci. Iveco Czech republic (dříve Karosa Vysoké Mýto) nabízí pro provoz na stlačený zemní plyn městské autobusy Citelis vybavené motory Iveco Cursor 8 CNG EEV (www.karosa.cz). SOR Libchavy nabízí pohon CNG u svých městských a meziměstských autobusů poháněných motory Cummins (www.sor.cz). 29
Rakouský výrobce traktorů Steyr spolu s firmou LuPower vyvinul traktor spalující směs nafty s CNG nebo bioplynem – Steyr CVT. Přítomnost motorové nafty je nutná pro vznícení směsi a podíl bioplynu nebo zemního plynu v nasávaném vzduchu je regulován podle výkonové křivky motoru. Tato aplikace plynového pohonu snižuje náklady na pohonné hmoty o 40 % a má značný ekologický přínos. Došlo ke snížení emisí CO2 o 20 %. Redukce NOx dosahuje v průměru o 17 %, emise pevných částic jsou nižší o 19 %, uhlovodíky o 87 % a do ovzduší je rovněž vypouštěno o 97 % oxidu uhelnatého méně (FUKA, 2009).
Obr.5.2 Steyr CVT s pohonem motorovou naftou + zemní plyn/bioplyn (www.steyr-traktoren.com) V České republice je v současnosti v provozu asi 1000 vozidel, z tohoto počtu je přibližně 220 autobusů (www.cng.cz).
5.2.1 Plnící stanice CNG Stanice pro plnění vozidel stlačeným zemním plynem rozeznáváme dvojího typu – stanice pro rychlé plnění a stanice pro pomalé plnění. Plnící stanice CNG jsou připojeny na plynovody, zemní plyn je dále stlačován vícestupňovými kompresory a zbavován vlhkosti (tzv. sušen). Plnění probíhá pomocí plnící pistole výdejního stojanu, která se připojí na hrdlo nádrže a otevře plnící ventil.
30
U rychle plnících stanic je stlačený plyn uchováván ve vysokotlakých zásobnících při tlaku až 300 barů. Plnění vozidla CNG trvá v tomto případě srovnatelnou dobu jako tankování konvenčních pohonných hmot. Při použití pomalého plnění je vozidlo plněno přímo kompresorem, tato operace trvá několik hodin a probíhá v době, kdy vozidlo není používáno (přes noc). Pomalu plnící stanice umožňují současné plnění více vozidel a náklady na jejich pořízení jsou nižší.
5.2.2 Klady a zápory zemního plynu v dopravě Používání zemního plynu v dopravě má diskutabilní ekologický přínos. V porovnání s konvenčními palivy vzniká jeho spalováním výrazně méně emisí NOx, CO, NMHC a PT. Také jeho doprava k čerpacím stanicím prostřednictvím husté sítě již existujících plynovodů je k přírodě šetrnější než rozvoz kapalných paliv v cisternách. Ovšem výrazným záporem využití zemního plynu z ekologického hlediska je přítomnost metanu ve výfukových plynech, který se podílí mnohonásobně více na oteplování zemské atmosféry než v oxid uhličitý.
Tab.5.1 Porovnání emisí autobusu na zemní plyn a autobusu a klasického autobusu na naftu (VLK, 2006) NOx CO NMHC PT CH4 g.kwh-1 Autobus na naftu
13,4
4,6
5,9
0,3
-
Autobus na zemní
2,9
0,3
0,03
0,06
2,7
plyn NOx – oxidy dusíku CO – oxid uhelnatý NMHC – nemetanové uhlovodíky PT – pevné částice CH4 – metan Z ekonomického hlediska znamená provozování vozidel na CNG značnou úsporu v nákladech na pohonné hmoty. V současnosti se ceny 1m3 CNG (= cca 1 litr benzínu) pohybují kolem 16 Kč (www.cng.cz). 31
Z technického pohledu je předností CNG vyšší oktanové číslo oproti benzínu. Metan, který tvoří asi 98 % zemního plynu, má oktanové číslo 130 (VLK, 2006). Oktanové číslo benzínů se obvykle pohybuje v rozmezí 91 až 98. Výrazně lepší je také startovatelnost v zimních měsících. Používání zemního plynu v dopravě je také velmi bezpečné, neboť zemní plyn je lehčí než vzduch, v případě nehody se na místě nehromadí, ale uniká do ovzduší a má vysokou zápalnou teplotu. Nádrže na CNG jsou výrazně pevnější než nádrže na kapalná paliva a jsou vybaveny bezpečnostním ventilem, který přeruší přívod plynu při porušení plynového potrubí. Tavná pojistka v případě požáru zajistí postupné vypuštění CNG z nádrže, tak aby nedošlo k explozi. K nevýhodám provozu vozidel na CNG patří zejména řídká síť plnících stanic. Nyní je v České republice řidičům k dispozici pouze 20 stanic (www.cng.cz). Cena přestavby osobního automobilu na CNG se pohybuje kolem 60 tisíc Kč a dochází ke zmenšení zavazadlového prostoru a poklesu výkonu motoru. Také sériově vyráběná vozidla na CNG jsou dražší než jejich zážehové nebo vznětové verze. Dojezd na plyn se u osobních automobilů pohybuje okolo 200 km a u autobusů je dojezd asi 500 km. Avšak v případě vozidel se systémem bifuel (možnost přepnutí mezi kapalným a plynným palivem) se celkový dojezd vozidla zvýší. Zástavba CNG zvyšuje hmotnost dopravního prostředku.
Obr.5.3 Mapa plnících stanic CNG v České republice (www.cng.cz) 32
5.3 Bioplyn
Obr.5.4 Schéma anaerobní fermentace (PASTOREK, 2004) Termín bioplyn je v současné technické praxi používán pro plynný produkt anaerobní metanové fermentace organických látek, tj. rozkladu bez přístupu vzduchu, uváděné též pod pojmy anaerobní digesce, biometanizace nebo biogasifikace (ŠEBOR, 2006). Bioplyn je tvořen směsí plynů: 55 až 75 % metan, 25 až 40 % oxid uhličitý a 1 až 3 % dalších plynů (vodík, dusík, sirovodík) (VLK, 2004). Pro mikroorganismy produkující metan je i sebemenší množství kyslíku toxické. Pro výrobu bioplynu se jako vstupní suroviny uplatňují odpady ze zemědělství – exkrementy zvířat, zbytky rostlin, rostliny cíleně pěstované pro nepotravinářskou produkci, odpady z lesnictví, kaly z čistíren odpadních vod, biologicky odbouratelná složka komunálního odpadu, atd. Bioplyn se produkuje ve fermentorech bioplynových stanic mokrým nebo suchým způsobem. Při mokrém způsobu se vyrábí bioplyn fermentací zbytkové biomasy za přítomnosti vody. Suchým způsobem se produkuje bioplyn ve skládkách tuhých odpadů. Dle dávkování vstupní suroviny do fermentorů se rozlišují technologie diskontinuální, semikontinuální a kontinuální. Bioplyn se využívá většinou přímo v bioplynové stanici pro výrobu elektrické energie pomocí kogeneračních jednotek. Pro pohon motorových vozidel je zapotřebí zbavit bioplyn nežádoucích příměsí oxidu uhličitého a sirovodíku. Obsah metanu musí dosahovat alespoň 95 %.
33
Hlavní výhoda bioplynu spočívá v tom, že se jedná o obnovitelný zdroj energie. Nevýhodou je nestabilní produkce plynu, protože anaerobní fermentační procesy probíhají nejlépe při teplotě 40 0C, takže v zimních měsících je nutno část vyrobeného plynu použít na vyhřívání fermentoru (VLK, 2006). Další klady a zápory bioplynu jsou obdobné jako v případě zemního plynu.
5.4 Propan – butan Zkapalněná směs plynů propanu a butanu – LPG (Liquified Petroleum Gas) je vedlejším produktem při těžbě a zpracování ropy a zemního plynu. Propan – butan lze na rozdíl od zemního plynu zkapalnit snadno nízkým tlakem. 1 litr LPG zaujímá v plynném stavu objem asi 260 litrů. V plynném skupenství je propan-butan těžší než vzduch a v kapalném skupenství je lehčí než voda (VLK, 2004). Poměr zastoupení propanu a butanu se v jednotlivých státech liší a je také rozdílný pro letní a zimní období. Pro klimatické podmínky středního pásma je obvyklé vyrábět letní směs s obsahem cca 40 % propanu a zimní směs obsahující cca 60 % propanu (ŠEBOR, 2006). Propan zajišťuje při nižších teplotách tlak potřebný k dopravě paliva do motoru. Butan naopak při teplotách pod bodem mrazu vykazuje nižší než atmosférický tlak. Tlak v nádrži není ovlivněn množstvím plynu, závisí pouze na složení plynné směsi a teplotě. Vznětové motory je pro provoz na LPG stejně jako v případě zemního plynu zapotřebí přestavět na zážehové nebo spolu s LPG spalovat i určité množství nafty, aby došlo ke vznícení směsi. Ve vozidlech přestavěných pro provoz na LPG nelze spalovat zemní plyn, stejně jako naopak ve vozidlech pro provoz na zemní plyn nelze použít jako palivo LPG. V České republice se v minulosti přestavovaly pro provoz na LPG některé typy autobusů Karosa s motory Liaz ML 636 PB, jejich výroba však již skončila. Předností provozu vozidel přestavěných na LPG je pokles nákladů na paliva o cca 50 %. Motor má tišší chod a je méně mechanicky namáhán. V České republice je poměrně hustá síť plnících stanic LPG, v současnosti je jich v provozu asi 580 (VLK, 2006). Z ekologického hlediska jsou předností LPG čistší výfukové plyny. Hlavní nevýhodou vozidel na LPG je značná počáteční investice při přestavbě na LPG, jejíž cena se velmi liší, v závislosti na použitém systému se pohybuje přibližně
34
v rozmezí 10 000 až 40 000 Kč. Při přestavbě na LPG dochází k poklesu výkonu motoru cca o 5 % a u osobních automobilů se zmenšuje zavazadlový prostor. Nevýhodu také představuje vazba LPG na ropu. Tab.5.2 Porovnání vlastností LPG s naftou pro použití v autobusu (VLK, 2006) Nafta LPG Hustota paliva [kg.m-3]
830
540
Výhřevnost [MJ.kg-1]
42,5
46,1
Přetlak v nádrži [MPa]
0
0,4
200
340
-
140
Objem nádrže [l] Zvýšení hmotnosti [kg]
35
6 ZÁVĚR S ohledem na klesající světové zásoby ropy a růst emisí skleníkových plynů je lidstvo nuceno stále intenzivněji hledat adekvátní náhradu za tradiční pohonné hmoty – motorovou naftu a benzín. Rychle se rozvíjející ekonomiky Číny a Indie potřebují stále více energie, to se projevuje v růstu celosvětové spotřeby ropy. Tento trend nemohou zvrátit ani úsporná opatření v rozvinutých zemích. Avšak i dnes jsou objevována nová naleziště ropy. Rovněž nízká vytěžitelnost ropných polí současnými technologiemi dává velký prostor pro budoucí inovace, ke kterým by s ohledem na růst cen ropy mohlo dojít. Názory odborné veřejnosti na teorii ropného vrcholu (nebo též ropný zlom) se značně liší. Geolog M. K. Hubbert předpověděl, že těžba ropy v USA dosáhne svého vrcholu kolem roku 1970 a poté již bude pouze klesat. K této situaci v roce 1971 sice skutečně došlo, avšak podle kritiků teorie ropného vrcholu nemá pokles těžby v USA souvislost se zásobami ropy, ale je zapříčiněn vysokými náklady na těžbu ve Spojených státech. Omezenost světových zásob ropy a negativní dopady jejího využití v dopravě na životní prostředí je ovšem neoddiskutovatelnou skutečností. Možností, jak se k tomuto problému postavit, se nabízí několik. Není pravděpodobné, že by v budoucnosti bylo využíváno pouze jedno palivo, spíše se bude jednat o více paralelně nabízených alternativ. Přechodné řešení představuje zemní plyn. Jeho využití v dopravě je ověřené a světové zásoby výrazně vyšší než v případě ropy. Provoz dopravních prostředků spalujících zemní plyn je k životnímu prostředí šetrnější v porovnání s konvenčními vozidly. Problém v tomto případě představuje vysoká vstupní investice do přestavby vozidla, respektive vyšší cena továrně vyrobených vozidel poháněných plynem v porovnání s jejich zážehovými či vznětovými verzemi. Tuto překážku by mohlo odstranit zavedení technologie výroby syntetických paliv ze zemního plynu GTL. Syntetická motorová nafta nevyžaduje žádné úpravy na vznětovém motoru. Se zkapalněným propan-butanem se v budoucnosti nepočítá, neboť jeho výroba je částečně vázána na ropu. Toto palivo také není příliš vhodné pro vznětové motory. Jejich přestavba na LPG je složitá a nákladná a v České republice se od ní již upustilo.
36
Největším zdrojem fosilního uhlíku na naší planetě je uhlí. Výroba kapalných i plynných paliv z uhlí je vyzkoušená, v historii několikrát využitá. Není vyloučeno, že by syntetická paliva vyrobená z uhlí mohla být přechodným řešením společně se zemním plynem. Z ekologických důvodů je ovšem upřednostňován zemní plyn. V dnešní době je velká pozornost věnována biopalivům. Biopaliva jsou CO2 neutrální, neboť rostliny, které jsou vstupní surovinou pro výrobu biopaliv, při růstu přeměňují fotosyntézou oxid uhličitý na kyslík. Jejich spálením při provozu dopravního prostředku se do atmosféry pouze navrací oxid uhličitý, který z ní v době růstu rostliny odebrali. První generace biopaliv v našich podmínkách zastoupená metylesterem řepkového oleje a bioetanolem je velkou šancí pro zemědělce, jak vyřešit současnou nadprodukci potravin v Evropě. Vzhledem k růstu světové populace a úbytku zemědělsky využitelné půdy nelze tuto alternativu v budoucnu rozvíjet do takových rozměrů, aby se stala skutečnou náhradou za ropná paliva. Nyní je intenzivně vyvíjena druhá generace biopaliv, která se vyrábějí z celulózy a lignocelulózy a nekonkurují potravinám. Pro jejich výrobu lze využít odpadní biomasu ze zemědělské či lesnické činnosti, cíleně pěstované energetické plodiny či organické složky komunálního odpadu. Biopaliva druhé generace mohou v budoucnosti mezi pohonnými hmotami hrát významnou roli. Pro provoz vznětových motorů je z biopaliv nejvýhodnější syntetická nafta vyrobená technologií BTL. Další v současnosti intenzivně vyvíjenou alternativou je vodíkový pohon. Vodík lze použít jako palivo pro spalovací motory, v tomto případě jsou výfukovými plyny pouze vodní páry. Z důvodu nízké účinnosti se nepředpokládá další rozvoj této koncepce. Přednost v budoucnosti dostane využití vodíku v palivových článcích. Palivový článek přeměňuje chemickou energii paliva na elektrickou energii pro elektromotor, který pohání dopravní prostředek. Masovému rozšíření vodíkového pohonu zatím brání chybějící infrastruktura, vysoké náklady spojené s jeho výrobou a vysoká pořizovací cena vozidel s vodíkovým pohonem. Cena vozidel poháněných vodíkem jistě zásadně poklesne s příchodem jejich velkosériové výroby. Vodík vyráběný elektrolýzou vody elektřinou z obnovitelných zdrojů je nejčistším zdrojem energie pro dopravní účely a lze jej získat v téměř neomezeném množství. Další, levnější možností získání vodíku je jeho výroba ze zemního plynu. V tomto případě je ale na místě otázka, je-li zapotřebí složitě vyrábět vodík ze zemního plynu, který může sloužit sám jako zdroj energie. 37
7 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY •
PASTOREK, Z., KÁRA, J., JEVIČ, P., 2004: Biomasa obnovitelný zdroj energie. FCC Public, Praha, 286 s.
•
VLK, F., 2004: Alternativní pohony motorových vozidel. František Vlk, Brno, 234 s.
•
VLK, F., 2006: Paliva a maziva motorových vozidel. František Vlk, Brno, 376 s.
•
2009: Zvýšení podílu biopaliv. Svět motorů, 63 (48): 30.
•
CÍLEK, V., 2007: Alternativa budoucnosti. Databáze online [cit. 2010-02-2]. Dostupné na: http://www.petrol.cz/alternativa/clanek.asp?id=8615
•
FUKA, V., 2009: První evropský traktor na bioplyn. Databáze online [cit. 201001-17].
Dostupné
na:
http://www.agroweb.cz/Prvni-evropsky-traktor-na-
bioplyn__s46x34174.html •
LAURIN, J. Rostlinné oleje jako motorová paliva. Databáze online [cit. 201001-11]. Dostupné na: http://biom.cz/cz/odborne-clanky/rostlinne-oleje-jakomotorova-paliva
•
SOUČEK, J., 2006: Výroba a užití kapalných biopaliv. Databáze online [cit. 2010-03-03].
Dostupné
na:
http://www.scienceshop.cz/attachments/HOL-
Texty_biopal.doc •
ŠEBOR, G., POSPÍŠIL, M., ŽÁKOVEC, J., 2006 Technicko-ekonomická analýza vhodných alternativních paliv v dopravě. Databáze online [cit. 201001-02]. Dostupné na: http://www.mdcr.cz/cs/Strategie/Zivotni_prostredi/
•
VÁŇA, J. Nové cíle v energetickém využití biomasy a příprava high-technologií k
jejich
zabezpečování.
Databáze 38
online
[cit.
2010-02-07].
Dostupné na: http://biom.cz/cz/odborne-clanky/nove-cile-v-energetickemvyuziti-biomasy-a-priprava-high-technologii-k-jejich-zabezpecovani •
Autobusy s pohonem na zemní plyn. Databáze online [cit. 2010-01-15]. Dostupné na: http://www.sor.cz/site/autobusy-na-plyn
•
Ekonomika zavádění alternativních paliv v dopravě a možnosti internalizace externích nákladů dopravy v České republice. Databáze online [cit. 2010-02-11]. Dostupné na: http://www.alternativnipaliva.fd.cvut.cz/Files/ZZ_04_06.pdf
•
Historie plynu v dopravě. Databáze online [cit. 2010-03-04]. Dostupné na: http://www.cng.cz/cs/zemni_plyn/historie/histoire_plynu_v_doprave.html
•
Historie zpracování ropy. Databáze online [cit. 2010-01-22]. Dostupné na: http://www.ropa.cz/historie-ropy/
•
Lisování
za
tepla.
Databáze
online
[cit.
2010-01-09].
Dostupné
na: http://www.farmet.cz/cz/olejoprogram/lisovani-za-tepla.html •
Městské
autobusy.
Databáze
online
[cit.
2010-03-06].
Dostupné
na: http://www.karosa.cz/main.php?show=city_traffic&language=czech •
Plnící
stanice
CNG.
Databáze
online
[cit.
2010-02-27].
Dostupné
na: http://www.cng.cz/cs/zemni_plyn/plnici_stanice/CNGstanice_CR.html •
Proč
motory
Tedom.
Databáze
online
[cit.
2010-01-25].
Dostupné
na: http://motor.tedom.cz/motory_tedom.html •
První evropský traktor na bioplyn. Databáze online [cit. 2010-02-04]. Dostupné na:
http://www.steyr-traktoren.com/Pages/en/Aktuelles-
Veranstaltungen/Aktuelles/Presse.aspx
39
•
Výroba, spotřeba a ceny energetických zdrojů. Databáze online [cit. 2010-0108]. Dostupné na: http://www.czso.cz/csu/csu.nsf/informace/cka070809.doc
•
Zemědělství – časové řady. Databáze online [cit. 2010-02-11]. Dostupné na: http://www.czso.cz/csu/redakce.nsf/i/zem_cr
40
SEZNAM OBRÁZKŮ Obr.3.1 Spotřeba ropy v České republice ...................................................................... 14 Obr.3.2 Těžba ropy v České republice .......................................................................... 14 Obr.4.1 Linka na lisování rostlinných olejů za studena.................................................. 15 Obr.4.2. Palivové příslušenství vozidlového motoru na rostlinný olej a naftu .............. 17 Obr.4.3 Zjednodušený proces výroby MEŘO ............................................................... 18 Obr.4.4 Blokové schéma výroby bioetanolu z cukrové řepy ......................................... 22 Obr.4.5 Blokové schéma výroby bioetanolu z obilovin ................................................ 23 Obr.5.1 Vozidlový a stacionární CNG motor Tedom .................................................... 29 Obr.5.2 Steyr CVT s pohonem motorovou naftou + zemní plyn/bioplyn .................... 30 Obr.5.3 Mapa plnících stanic CNG v České republice .................................................. 32 Obr.5.4 Schéma anaerobní fermentace .......................................................................... 33
SEZNAM TABULEK Tab.3.1 Emise CO2 podle prognózy Mezinárodní energetické agentury IEA .............. 12 Tab.3.2 Známé rezervy ropy a její celosvětová spotřeba .............................................. 12 Tab.3.3 Scénář rozvoje alternativních paliv v EU do roku 2020.................................... 13 Tab.4.1 Porovnání vlastností MEŘO, čistého řepkového oleje a nafty ......................... 20 Tab.4.2 Vybrané parametry motorové nafty a alkoholů ................................................ 21 Tab.4.3 Vlastnosti DME, syntetické a klasické motorové nafty (MN) ......................... 25 Tab.5.1 Porovnání emisí autobusu na zemní plyn a autobusu a klasického autobusu na naftu ......................................................................................................................... 31 Tab.5.2 Porovnání vlastností LPG s naftou pro použití v autobusu .............................. 35
41
