KOKA 2006, XXXVII. International conference of Czech and Slovak Universities’ Departments and Institutions Dealing with the Research of Combustion Engines
MOTORY NA PALIVA S KVASNÝM LIHEM Josef Laurin1 ABSTRACT The paper addresses conditions for and potential applications of biothanol as a component of motor fuels for gasoline and diesel engines. Bioethanol can be added into gasoline either in the amount of 20% or as an oxygenous additive ETBE. Gasoline engines of a special design can burn ethylalcohol fuels containing as many as 85% of bioethanol. Diesel engine fuels usually contain 95% of bioethanol and additives increasing cetane number and lubricating capacity. The paper presented is not concerned with production of bioethanol, relevant legislation or pricing policy related to the application of bioethanol for production of motor fuels in the Czech Republic. Key words: Motor fuel, Bioethanol, Gasoline engine, Diesel engine
1
ÚVOD Podle Akčního plánu Evropské komise by měla být ve státech Evropské unie paliva vyráběná z ropy postupně nahrazována biopalivy, zemním plynem a vodíkem. Podle „Směrnice Evropského parlamentu a Rady z roku 2003 o podpoře používání biopaliv nebo jiných obnovitelných paliv v dopravě“ má ke konci roku 2010 energetický podíl biopaliv pro dopravu v každém z členských států Evropské unie oleje a syntetická paliva, jejichž složky byly vyrobeny z biomasy. činit 5,75 % z energie dodané pro dopravu v benzinech a v naftách, přičemž za biopaliva se považují kapalné nebo plynné pohonné hmoty vyráběné z biomasy: bioethanol, bionafta, bioplyn, biomethanol, biodimethylether, bio-ETBE, bio-MTBE, biovodík, čisté rostlinné Dále budou uvedeny technické možnosti využití kvasného lihu v palivech pro zážehové a v palivech pro vznětové motory v podmínkách ČR. Výrobou kvasného lihu ani paliv s kvasným lihem, příslušnou legislativou ani cenovou politikou v ČR se příspěvek podrobněji nezabývá. Situaci v uvedených oblastech v roce 2005 uvádí např. publikace [8]. 2
VLASTNOSTI BIOETHYLALKOHOLU Líh získaný kvasným procesem musí podle „ČSN 65 6511 kvasný líh denaturovaný, určený k použití do automobilových benzinů“ obsahovat před denaturací nejméně 99,7 % ethylalkoholu. Důležité vlastnosti ethylalkoholu a klasických motorových paliv nafty a benzinu jsou uvedeny v tabulce 1. Při úvahách o možnostech náhrady motorových paliv nafty a benzinu ethylalkoholem je nutné vzít v úvahu hlavně ty vlastnosti ethylalkoholu, které jsou výrazněji odlišné od vlastností nafty a benzinu. Z hlavních odlišných vlastností se jedná o výhřevnost, vznětlivost paliva vyjádřenou cetanovým číslem (CČ), odolnost 1
doc. Ing. Josef Laurin, Katedra strojů průmyslové dopravy,Technická univerzita v Liberci, Výzkumné centrum spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka II, Hálkova 6, 461 17 Liberec, tel. +420 485353150, e-mail:
[email protected]
proti klepání vyjádřenou oktanovým číslem (OČVM) a mazací schopnost. Ethylalkohol může způsobit nejen korozi některých součástí, zejména palivového příslušenství motoru, i když tuto nepříznivou vlastnost je možné zmírnit přidáním inhibitorů koroze, ale působí agresivně a poškozuje některé plasty a pryže. Tabulka 1: Vlastnosti nafty, benzinu a ethylalkoholu Table : Properties of diesel fuel, gasoline and ethanol Hustota (15 oC) Výhřevnost Výhřevnost Hmot. podíl kyslíku Oktanové číslo VM Cetanové číslo
Jedn. kg.m-3 kWh.kg-1 kWh.litr-1 %
Nafta ~830 11,8 9,7 0 >51
Benzin ~750 12 9,1 max. 2,7 95 11
Ethylalkohol 794 7,44 5,9 34,7 108 8
Ethylalkohol má v porovnání s naftou i s benzinem nízkou výhřevnost, v porovnání s naftou nízké CČ a velmi malou mazací schopnost a v porovnání s benzinem vysoké OČVM. OČVM samotného ethylalkoholu je přibližně 108. Přidáním ethylalkoholu do benzinu BA 95 se podle [11] OČVM zvyšuje přibližně o 0,24 na 1% přidaného ethylalkoholu. Přidáním ethylalkoholu do benzinu dojde ke zvýšení tlaku par. Např. benzin BA 95 má tlak par přibližně 57 kPa a přidáním 5 % ethylalkoholu došlo podle [11] ke zvýšení tlaku par přibližně o 5 kPa. Z hlediska průběhu spalování v motoru je výhodné určité množství kyslíku, který je v ethylalkoholu obsažen, ale jeho vysoký obsah snižuje výhřevnost. I když CO2 nejsou v současné době legislativně sledovanými výfukovými emisemi, bývá jim s ohledem na jejich podíl při vzniku skleníkového efektu věnována pozornost. Přínosem ethylalkoholového paliva je přibližně o 5 % nižší produkce CO2, pokud by se nepočítalo ještě se spotřebou CO2 při fotosyntéze během vegetace rostlin, ze kterých je ethylalkohol vyroben. V literárních pramenech bývá často přeceňován přínos alternativních paliv, tedy i paliv rostlinného původu, pokud jde o výfukové škodliviny. Při hodnocení emisí je třeba vzít v úvahu, že jejich rozdíly při provozu motoru na klasická paliva benzin a na alternativní paliva mohou být způsobeny nejen vlastnostmi paliva, ale i nastavením seřizovacích parametrů motorů, odlišnými režimy chodu motorů při měřeních a dalšími vlivy. 3
POUŽITÍ ETHYLALKOHOLU PRO ZÁŽEHOVÉ MOTORY V palivech pro zážehové motory se může ethylalkohol uplatnit jako:
náhrada benzinu palivem s vysokým obsahem ethylalkoholu (až 90 %, 85 % v palivu E85) pro speciálně přizpůsobené zážehové motory,
paliva s různým obsahem ethylalkoholu (obvykle až do 85 %) pro motory s elektronickými řídicími systémy umožňujícími provoz i na benzin určené pro „Flexible Fuel Vehicles“ (dále jen FFV), kyslíkatá a OČ zvyšující složka benzinů - ETBE, ethylalkohol přidaný do benzinu v max. množství zhruba 20 % jako kyslíkatá složka současně zvyšující OČ.
3.1 Zážehové motory na etylalkoholová paliva Jak již bylo uvedeno, má ethylalkohol v porovnání s benzinem značně nižší výhřevnost, vysokou odolnost proti klepání a vysoké skupenské výparné teplo. Kvůli nízké výhřevnosti je hmotnostní měrná spotřeba ethylalkoholu (g.kWh-1) vyšší než spotřeba benzinu, měrná spotřeba tepla (MJ.kWh-1) může být u motorů na ethylalkoholová paliva, které mají vyšší kompresní poměr, nižší, než bývá u benzinových motorů. Pro vyšší spotřebu ethylalkoholu oproti spotřebě benzinu je nutné upravit palivové příslušenství, tj. vstřikovací zařízení tak, aby umožňovalo zhruba 1,5 krát vyšší hmotnostní průtok paliva. Vysoká odolnost proti klepání umožňuje použití ethylalkoholu pro zážehové motory s vyšším kompresním poměrem, než je obvyklé u benzinových motorů. Kompresní poměr je možné zvýšit až na 15:1. Skupenské výparné teplo ethylalkoholu je v porovnání s benzinem vyšší a působí výraznější ochlazení palivové směsi přiváděné do motoru. V porovnání s benzinem se dosáhne vyššího naplnění válců palivovou směsí a tím i vyššího výkonu motoru. Vysoké skupenské výparné teplo působí problémy při spouštění motoru za nižších teplot. Bývá nutné použít pomocné zařízení pro spouštění za nízkých teplot, případně spouštět motor na benzin. Pro motory speciálně upravené pro provoz na ethylalkoholové palivo se používá směs označovaná E85, obsahující 85 % ethylalkoholu a 15 % benzinu. Obsahuje téměř 30 % kyslíku a má OČVM 110. Nejvíce vozidel s motory na palivo E85 je provozováno v Brazílii, v Evropě pak ve Švédsku. Použití paliva E85 nachází stále širší uplatnění např. v USA, o čemž svědčí růst počtu veřejných čerpacích stanic s tímto palivem z 65 v roce 1996 na 550 počátkem letošního roku [21]. Podle literatury [12] je po přechodu z benzinu na E85 obsah CO ve výfukových plynech přibližně stejný nebo mírně nižší, mírně vzroste obsah HC, přičemž mnohonásobně vzroste podíl aldehydů a mírně klesne obsah NOx. Jako příklad vozidla s motorem přizpůsobeným pro ethylalkoholové palivo E85 lze uvést Saab 9-5 Biopower. Přeplňovaný motor provozovaný na palivo E85 má výkon 132 kW, přičemž benzinová verze tohoto motoru má výkon pouze 110 kW. 3.2 Zážehové motory pro FFV Motory pro FFV umožňují provoz jak na benzin, tak na ethylalkoholové palivo s různým podílem ethylalkoholu ( až do 85 %). Motor může mít vysoký kompresní poměr, vyhovující i pro benzin. Palivový systém je dimenzován pro provoz na ethylalkoholové palivo a přizpůsoben agresivnímu působení ethylalkoholu na některé součástky. Podle koncentrace kyslíku ve výfukových plynech získává řídicí jednotka informaci o složení paliva (obsahu ethylalkoholu) a tomu přizpůsobí seřizovací parametry, tj. dávkování paliva, předstih zážehu aj. Vozidla FFV vyrábí řada výrobců, např. VW, Fiat, Renault, Volvo, Saab, Ford. V Evropě je palivo E85 nejvíce používáno ve Švédsku, kde je v provozu přibližně 16 tis. vozidel Ford Focus FFV a počet plnicích stanic s palivem E85 je vyšší než 250. 3.3 Zážehové motory na benzin s podílem ETBE V Evropě je snižování nepříznivého vlivu benzinu na životní prostředí upraveno normou pro kvalitu benzinů ČSN EN 228. Jako kyslíkaté složky benzinů, které
snižují obsah CO a HC ve výfukových plynech motorů, mohou být použity mj. např. MTBE, ETBE nebo i ethylalkohol. Tabulka 2 uvádí základní vlastnosti MTBE, ETBE a ethylalkoholu. Z údajů lze vypočíst, že MTBE lze nahradit ETBE, který má obsah kyslíku 15,7 % a vyšší OČ. Podíl 14,8 % hm. MTBE způsobující obsah kyslíku v benzinu 2,7 % lze nahradit přibližně 17,2 % hm. ETBE. Přechodem z MTBE na ETBE podle výše uvedených údajů se též mírně zvýší OČ benzinu. Tabulka 2 Vlastnosti MTBE, ETBE a ethylalkoholu Table 2: Properties of MTBE, ETBE and ethanol Hustota (15 oC) Výhřevnost Hmotnostní podíl O2 OČVM
JEDN. kg.m-3 kWh.kg-1 %
MTBE 746 9,78 18,2 117
ETBE 745 10,1 15,7 118
ETHYLALK. 794 7,44 34,8 108
Lze konstatovat, že z hlediska vlastností benzinů, průběhu jejich spalování v motoru a úrovně výfukových emisí je možné kyslíkatou složku MTBE nahradit příslušným množstvím ETBE. Vhodnost této náhrady byla prokázána též v ČR, když Česká rafinerská, a.s., v roce 2001 vyrobila jednorázově 2495 m3 ETBE a použila ho jako přísadu do benzinu Natural 95 namísto MTBE [4]. Tento způsob náhrady je již několik let používán ve Francii a ve Španělsku, kde rafinerie ETBE vyrábějí. Provozní parametry motoru poháněného benzinem s ETBE jsou prakticky shodné s parametry motoru poháněného benzinem s MTBE. 3.4 Zážehové motory na benzin s podílem ethylalkoholu Přidání ethylalkoholu do benzinu může přinést problémy způsobené jednak citlivostí ethylalkoholu na vodu, jednak relativně vysokým tlakem nasycených par ethylalkoholu. Přítomnost určitého množství vody v ethylalkoholu může vést k rozvrstvení paliva na benzin a ethylalkohol. Nutný je přídavek kosolventů. Řada zkoušek motoru provozovaného na benzin s přídavkem různých množství ethylalkoholu (až do 30 %) byla provedena v TUV - ÚVMV Praha [9]. V důsledku nižší výhřevnosti ethylalkoholu měl zkoušený motor s objemem válců 1,4 l a výkonem 50 kW mírně vyšší specifickou spotřebu paliva. Přípustné hodnoty plynných výfukových škodlivin nebyly při zkoušce podle předpisu EHK 83-05 překročeny. Při provozu motoru na benzin s vyšším množstvím ethylalkoholu výrazněji vzrůstaly výfukové emise oxidů dusíku. Výsledky zkoušek [9] ukázaly, že motor nemusí být benzinu s podílem ethylalkoholu asi do 20 % významněji přizpůsoben. S ohledem na nižší výhřevnost takového paliva zpravidla postačí změna seřízení nebo předimenzování palivového příslušenství. 4 POUŽITÍ ETHYLALKOHOLU JAKO PALIVA PRO VZNĚTOVÉ MOTORY V porovnání s naftou má ethylalkohol nízkou výhřevnost, nízkou vznětlivost a velmi malou mazací schopnost. Vznětlivost i mazací schopnost lze pomocí vhodných přísad upravit téměř dokonale k možnosti použití ethylalkoholu pro vznětové motory, aniž by se muselo zasahovat do konstrukce motorů. S ohledem na
nižší výhřevnost ethylalkoholu je ale nutné provést úpravy (předimenzování) palivového příslušenství, např. vstřikovacích trysek. 4.1 Částečná náhrada nafty neupraveným ethylalkoholem Ethylalkohol bez přísad zvyšujících vznětlivost paliva lze použít u motorů, které pracují současně se dvěma palivy, tj. naftou a ethylalkoholem. Známá je řada způsobů použití ethylalkoholu u naftových motorů, např.:
vstřikování směsi nafty s ethylalkoholem do spalovacího prostoru, vstřikování nafty i ethylalkoholu pomocí dvou vstřikovacích čerpadel, jedno čerpadlo vstřikuje naftu, druhé vstřikuje ethylalkohol,
nasávání
směsi ethylalkoholu se vzduchem - palivová směs se tvoří nízkotlakým vstřikováním ethylalkoholu do sání motoru. Uvedené způsoby využití ethylalkoholu vyžadují značné úpravy motoru, jsou technicky náročné a nákladné a nebývají prakticky využívány. 4.2 Úplná náhrada nafty ethylalkoholovým palivem Již zmíněné nepříznivé vlastnosti ethylalkoholu, nízké cetanové číslo a nízkou mazací schopnost, ale i korozní agresivitu lze úspěšně ovlivnit přísadami na bázi organických dusičnanů a dusitanů. Do ethylalkoholu se přidávají podle doporučení výrobce v množství 4 až 10. Možnostmi využití alkoholových paliv pro naftové motory se již v minulosti zabývala řada významných výrobců motorů. Výzkum byl motivován mj. skutečností, že vznětové motory poháněné alkoholovými palivy produkují méně některých výfukových škodlivin, zejména NOx a pevných částic, než motory naftové. Výfukové plyny neobsahují sloučeniny síry. Přínosem alkoholových paliv je i nižší množství úsad v motoru. Motor na ethylalkoholové palivo je jen málo odlišný od naftového motoru, poněvadž vlastnosti ethylalkoholu jsou, až na výhřevnost, upraveny pomocí přísad tak, aby byly blízké vlastnostem nafty. Z odlišností motoru na naftu a motoru na ethylalkoholové palivo lze uvést: palivová vstřikovací soustava (vstřikovací čerpadlo a trysky) musí být přizpůsobena 1,6 krát nižší výhřevnosti ethylalkoholového paliva, než je výhřevnost nafty, provoz na ethylalkoholové palivo vyžaduje jiný počátek vstřiku paliva než provoz na naftu, motor na ethylalkoholové palivo musí být vybaven oxidačním katalyzátorem ke snížení obsahu CO a CH (viz dále v textu). Posuzování úrovní škodlivých emisí motoru na ethylalkoholové palivo vychází z výsledků měření provedených na Technické univerzitě v Liberci [15]. Průměrné úrovně výfukových emisí vznětových motorů s oxidačním katalyzátorem na ethylalkoholové palivo (ethylalkohol + 5 % AVOCET + mazivostní přísada), zjištěné v třináctirežimovém testu podle předpisu EHK 49, byly v porovnání s emisemi při provozu motorů na naftu zhruba následující: snížení obsahu částic na 30 %, snížení obsahu NOx na 80 %, zvýšení obsahu CO na 150 %,
zvýšení obsahu HC na 200 %. Ethylalkoholové palivo pro vznětové motory nenalezlo dosud příliš široké uplatnění. V Evropě je používáno hlavně ve Švédsku. Městské autobusy s motory na ethylalkoholové palivo vyrábí firma SCANIA a více než 200 městských autobusů je provozováno ve Stockholmu a dalších 200 v jiných městech. Autobusové motory o objemu válců 9 l s výkonem 170 kW vyhovují předpisu EHK 49-EURO 4. 5
HISTORIE MOTOROVÝCH PALIV S KVASNÝM LIHEM V ČSR Od dvacátých let minulého století nacházel kvasný líh uplatnění v palivech pro motory závodních automobilů. Paliva obsahovala zhruba 50 % ethylalkoholu, dále benzin a benzol, případně i aceton. Od roku 1923 bylo v ČSR pod názvem „Dynalkol“ dodáváno palivo hmotnostního složení 50 % ethylalkoholu, 30 % benzolu a 20 % benzinu. Od roku 1930 vedly problémy s odbytem rostlinných plodin k úvahám o zavedení povinného přidávání lihu do benzinu. Povinnost přidávání ethylalkoholu do benzinu vyrobeného v ČSR i dovezeného ze zahraničí byla stanovena zákonem č. 85/1932 Sb. a vládním nařízením č. 127/1932 Sb v množství 20 % obj. 6
KVASNÝ LÍH PRO MOTOROVÁ PALIVA V ČR V ČR jsou v současné době podle vyhlášky ministerstva průmyslu a obchodu č. 229/2004 Sb. [18] za biopaliva považovány příměsi do benzinu, jednak bioethylalkohol, jednak bio-ethyltercbutylether (ETBE) vyrobený z bioethylalkoholu. Samostatné použití bioethylalkoholu je podle vyhlášky možné, pokud jeho použití umožňuje výrobce motoru. ČSN EN 228 „Motorová paliva-Bezolovnaté automobilové benziny-Technické požadavky a metody zkoušení“ stanoví, že celkový obsah kyslíku v benzinu nemá překročit 2,7%, a tak omezuje množství bioethylalkoholu a jiných kyslíkatých přísad. Výchozími surovinami k výrobě kvasného lihu jsou v Evropě např. cukrová řepa, kukuřice, brambory a obilí, v místech se subropickým a tropickým podnebím cukrová třtina. V podmínkách ČR je nejvhodnější obilí, a to pšenice nebo tritikale, snad i cukrová řepa. Skutečný výnos pšenice v ČR v roce 2004 byl 5, ani výroba paliv s vysokým obsahem kvasného lihu - E85 pro zážehové 8 t.ha-1. Z tohoto hektarového výnosu pšenice by bylo možno získat až 2 m3 kvasného lihu, z hektarového výnosu tritikale až 1,8 m3 a z hektarového výnosu cukrové řepy přibližně 3 m3 kvasného lihu. Na základě příslušných usnesení vlády ČR by měl být kvasný líh přidáván do benzinů, jednak přímo, jednak prostřednictvím ETBE. Není vyloučena motory a E95 pro vznětové motory. 7
ZÁVĚR V příštích letech lze očekávat, že kvasný líh vyrobený v ČR z pšenice nebo z tritikale bude denaturován a jako kyslíkatá složka přidáván do benzinu v množství max. 5 %, což je množství, které výrazněji neovlivní parametry stávajících benzinových motorů. Část produkce kvasného lihu se může uplatnit při výrobě ETBE, který poslouží k náhradě v současné době používané kyslíkaté složky benzinů MTBE. Podle informace z Ministerstva zemědělství ČR by se produkce kvasného lihu
využitelná pro motorová paliva měla v příštích letech postupně zvyšovat a v roce 2010 dosáhnout zhruba 250 tis. m3. Publikované výsledky byly získány za přispění Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy ČR, projekt 1M68407700002 – Výzkumné centrum spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka II. 8 LITERATURA [1] Cionová, E. – Kittel, H.: Bioetanol jako komponenta automobilových paliv. In: Odborný seminář ČAPPO. AUTOTEC Brno, Brno 2004. [2] Grassi, G.: Bioethanol – Industrial World Perspectives. Renewable Energy World. 56/2000. [3] Kenneth, J. K. a spol.: FTP Emission test Results from Ethanol Chevrolet Luminas.SAE Fuels and Lubricants Meeting, Toronto 1995. [4] Kittel, H.: Zkušenosti s výrobou ETBE v České rafinerské, a.s. In: Motorové palivá. Vyhne SR, 2002. [5] Loskot, K.:Tekutá paliva motorová. Loskot, Praha 1939. [6] Matějovský, V. Automobilová paliva. Grada Publishing, a.s., Praha 2005. [7] Norton, P. a spol.: Running Line-Haul Trucks on Ethanol. U.S. Department of Energy Laboratory, 1996. [8] Ottis, I. – Podrazil, M.: Pohled petrolejářského průmyslu na využití biopaliv v dopravě v ČR. In: APROCHEM 2005. Milovy – Sněžné n.M. 2005. [9] Přibyl, J.: Použití lihobenzinových směsí k pohonu zážehových motorů. (Technická zpráva.) TÜV ÚVMV, s.r.o., Praha 2003. [10] Šebor, G. – Pospíšil, M. – Třebycký, V.: Možnosti využití biopaliv v dopravě v České republice do roku 2020. (Studie.) Ústav paliv a maziv, a.s. Praha, VŠCHT v Praze. Praha 2005. [11] Třebický, V.: Výsledky laboratorních zkoušek automobilových benzinů s obsahem lihu. (Výzkumná zpráva.) Ústav paliv a maziv, a.s., Praha 2003. [12] Varde, K., S. : Kontrol of Exhaust Emissions from Small Engines Using E10 and E85 Fuels. University of Michigan - Dearborn, 2002. [13] ČSN 656511 Kvasný líh denaturovaný, určený k použití do automobilových benzinů – Technické požadavky a metody zkoušení. [14] ČSN EN 228 Motorová paliva bezolovnaté automobilové benziny-Technické požadavky a metody zkoušení. [15] Výsledky výzkumných prací, týkajících se vlivu alkoholových motorových paliv na provozní parametry zážehových a vznětových motorů. Technická univerzita v Liberci, Liberec 1992 – 2003. [16] Výsledky zkoušek motorů LIAZ provozovaných na ethylalkoholová paliva. LIAZ, a.s., Jablonec n.N. 1994 - 1998. [17] Komise evropských společenství: Strategie Evropské unie pro biopaliva (SEK 2006/ 142 142). 8.2.2006, Brusel. [18] Vyhláška č. 229/2004 Sb., kterou se stanoví požadavky na pohonné hmoty pro provoz na pozemních komunikacích a způsob sledování a monitorování jejich jakosti.
[19] Usnesení vlády České republiky ze dne 17. června 1998 č. 420 k možnostem využití bioetanolu při výrobě lihobenzinových směsí. [20] Informace z Alternative Fuels Data Center - National Renewable Energy Laboratory Dostupné na www.afdc.doe.gov. [21] Informace z Office of Energy Efficiency and Renewable Energy. Dostupné na : www.eere.energy.gov.
