Zhodnocení ekologického potenciálu paliva E85

LISTY CUKROVARNICKÉ a ØEPAØSKÉ

Zhodnocení ekologického potenciálu paliva E85 THE ECOLOGICAL POTENTIAL EVALUATION OF FUEL E-85

Petr Miler, Jan Hromádko, Jiøí Hromádko, Vladimír Hönig, Michal Schwarzkopf Èeská zemìdìlská univerzita v Praze a Ministerstvo životního prostøedí ÈR

Evropská unie pøijala rozhodnutí dosáhnout do roku 2020 alespoò 20% snížení emisí skleníkových plynù ve srovnání s rokem 1990. Pro splnìní tohoto úkolu navrhla EU do roku 2020 závazné cíle – další zlepšení energetické úèinnosti o 20 %, dosažení 20% podílu obnovitelné energie a 10% podílu biopaliv na trhu s pohonnými hmotami v EU. Dùvodem je mimo jiné zvýšení bezpeènosti dodávek energie prostøednictvím diverzifikace skladby pohonných hmot. Pro zavádìní biopaliv v Èeské republice, kromì výše zmínìného poklesu produkce emisí skleníkových plynù, jsou rozhodující tøi dùvody: - biopaliva jsou obnovitelným zdrojem energie, - používání biopaliv snižuje závislost na ropì, která pochází pøevážnì z dovozu a její cena neustále kolísá – proto nelze pøedvídat její další cenový vývoj, - výroba biopaliv pøináší další možnosti využití zemìdìlské pùdy a je jednou z pøíležitostí pro vytvoøení nových pracovních míst v rezortu zemìdìlství a lesnictví. Bioetanol lze vyrobit z každé zemìdìlské plodiny, která obsahuje sacharidy, tj. od vojtìšky pøes brambory, obiloviny až po cukrovou øepu nebo tøtinu. Surovinou mùže být také jakákoli biomasa obsahující lignocelulózu napø. døevo, døevìné piliny nebo odpady pøi výrobì celulózy a papíru. Z obilí a biomasy lze bioetanol vyrobit buï kyselou hydrolýzou pomocí kyseliny sírové, nebo vodní hydrolýzou za vyšších teplot a tlakù, podobnì je to možné i kyselou hydrolýzou døevìných pilin, štìpkù nebo stružin. Bioetanol lze používat na nízkoprocentní pøimíchávání do automobilových benzínù, které se øídí zákonem è. 180/2007 Sb. (vychází z evropské smìrnice 2003/30/ES) a na vysokoprocentní bioetanolové smìsi, zejména palivo E85 skládající se z 85 %

Tab. I. Parametry motoru Parametr

Hodnota

maximální výkon

50 kW

maximální toèivý moment

106 Nm

palivo poèet válcù

benzin 4

vrtání

75,5 mm

zdvih

75,5 mm

kompresní pomìr

10 : 1

jmenovité otáèky

5 000 min–1

180

bioetanolu a 15 % benzinu Natural 95. Nízkoprocentní pøimíchávání bioetanolu do cca 10 % objemových nepøináší pro spalování v motoru témìø žádný problém, a není tedy potøeba žádná úprava motoru. Vysokoprocentní smìsi nelze bez úprav spalovat v bìžných motorech kvùli nízké výhøevnosti lihu. V souèasné dobì jsou vysokoprocentní ethanolové smìsi využívány ve vozidlech FFV (Flexi Fuel Vehicle). Tato vozidla mohou být provozovány jak na bìžný benzin, palivo E85, tak i na libovolnou smìs benzinu s palivem E85. Palivo E85 je možné spalovat i v bìžných vozidlech, ale je tøeba provést jednoduchou úpravu øídicí jednotky motoru, která spoèívá v prodloužení doby vstøiku paliva. Cena takovéto pøestavby se pohybuje v závislosti na výrobci zaøízení a typu vstøikovací soustavy daného motoru v rozmezí 5–15 tis. Kè. Palivo E85 je bìžnì k dostání u èerpacích stanic v západní Evropì. V roce 2008 zaèal nᚠnejvìtší výrobce bioetanolu (dobrovický Agroetanol TTD, a. s.) vyrábìt toto vysokoprocentní palivo i v ÈR. Pokud by využil celou produkci bioetanolu na výrobu tohoto paliva, vyrobil by zhruba 700 tis. hl. Èeské èerpací stanice neprojevily velký zájem prodávat toto palivo. Dùvodem byla zejména jeho vyšší cena zpùsobená relativnì nákladnou výrobou bioetanolu a také malý poèet automobilù, které ho mohou používat, na našich silnicích. Dùležité je pøijetí novely zákona o spotøebních daních, která má obsahovat odpoèet spotøební danì z podílu biosložky u paliva E85 a dalších biopaliv, èímž dojde k výraznému snížení jejich ceny. Palivo E85 tak bude moci lépe konkurovat automobilovým benzinùm. Proto pøedpokládáme, že zájem o nìj výraznì stoupne.

Materiály a metody Pøínos spalování paliva E85, zejména v produkci emisí, byl vyhodnocován pomocí virtuální simulace evropského homologaèního jízdního cyklu pro vozidla do 3,5 t. Základ simulace tvoøily emisní charakteristiky motoru a charakteristiky spotøeby paliva zjištìné na zkušebním stanovišti. V prvním kroku byly tyto charakteristiky namìøeny pøi použití automobilového benzinu Natural 95, v druhém kroku bylo použito paliva E85. Speciálním algoritmem, vytvoøeným v programu Mathcad, byly jednotlivé body emisních charakteristik a charakteristiky spotøeby paliva transformovány na spojité charakteristiky mìøené velièiny (spotøeba paliva a jednotlivé složky emisí) v závislosti na otáèkách a toèivém momentu motoru. Dalším speciálním algoritmem byl evropský jízdní cyklus, který definuje prùbìh rychlosti vozidla v závislosti na èase cyklu, pøeveden na prùbìh otáèek a toèivého momentu motoru v èase cyklu. Do transformace rychlosti cyklu na otáèky a toèivý moment motoru byly zahrnuty

LCaØ 125, è. 5-6, kvìten-èerven 2009

MILER, HROMÁDKO, HROMÁDKO, HÖNIG, SCHWARZKOPF: Zhodnocení ekologického potenciálu paliva E85

všechny parametry vozidla, které ovlivòují dynamické vlastnosti vozidla (souèinitel odporu valení, èelní plocha vozidla, souèinitel odporu vzduchu, jednotlivé pøevodové pomìry atd.). Propojením obou programù vznikla možnost stanovit, k prùbìhu rychlosti vozidla v jízdním cyklu, produkci okamžitých a kumulovaných hodnot jednotlivých složek emisí. Jízdní cyklus byl aplikován na vozidlo Škoda Felicia s motorem 1,3 MPi. Základní parametry motoru jsou uvedeny v tab. I.

kde: Mpk(i) (g) je prùbìh kumulované spotøeby paliva, Mps(i) (g.s –1) je prùbìh okamžité spotøeby paliva, Mp1km :=

(4),

kde: Mp1km (g.km–1) je mìrná spotøeba paliva, je hodnota kumulované spotøeby paliva Mpk(195) (g) ve 195 sekundì, tedy na konci mìstského cyklu.

Vyhodnocení V prvním kroku jsou namìøené hodnoty doplnìné o nulové hodnoty pøi ztrátovém momentu postupnou interpolací ve smìru toèivého momentu motoru a následnì ve smìru otáèek motoru pøevedeny na ètvercovou matici P, která tvoøí podklad pro tvorbu spojitých charakteristik motoru. Pro tvorbu spojitých charakteristik je dále tøeba definovat rozsah otáèek motoru a toèivého momentu motoru. Tato definice je provedena maticí M. Výsledná spojitá charakteristika je dána rovnicí: (1), kde: fit(x,y) je spojitá charakteristika závislé promìnné, M je matice definující rozsah otáèek a toèivého momentu motoru, P je matice nainterpolovaných diskrétních hodnot závislé promìnné. Výslednou spojitou charakteristiku je dále vhodné ohranièit maximálním a ztrátovým momentem motoru. Pøíklad výsledné ohranièené charakteristiky spotøeby paliva pro palivo E85 je znázornìn na obr. 1. Obdobným zpùsobem je stanovena charakteristika spotøeby paliva pro automobilový benzín a charakteristiky jednotlivých složek emisí pro obì paliva. V druhém kroku je rychlost jízdního cyklu pøevedena na otáèky a toèivý moment motoru. Pro transformaci rychlosti vozidla na otáèky a toèivý moment je nutné definovat prùbìhy jízdních odporù, definovat model øazení jednotlivých pøevodových stupòù, definovat prokluz kol atd. Výsledný prùbìh otáèek a toèivého momentu motoru je znázornìn na obr. 2. V posledním kroku jsou propojeny spojité charakteristiky spotøeby paliva a produkce jednotlivých složek emisí s prùbìhem otáèek a toèivého momentu motoru v jízdním cyklu. Propojením získáme možnost stanovit okamžité a posléze kumulované hodnoty produkce jednotlivých složek emisí. Kumulované hodnoty za celý cyklus mùžeme pøes známou ujetou dráhu cyklu pøepoèítat na mìrnou hodnotu vztaženou na jeden ujetý kilometr. Stanovení mìrných produkcí emisí, respektive spotøeby paliva, je definováno rovnicemi 2 až 4: Mps(i) := fit (nm(i) , Mm (i)) . 3,6–1

Obr. 3.–12. znázoròují prùbìhy kumulovaných spotøeb paliva a produkcí jednotlivých složek emisí pro automobilový benzin Natural 95 a palivo E85 v mìstské UDC a mimomìstské EUDC èásti jízdního cyklu NEDC. Produkce mìrných spotøeb paliva a mìrných emisí vztažená na jeden ujetý kilometr pro jednotlivé èásti jízdního cyklu NEDC je pøehlednì uvedena v tab. II. Je zde také uvedena kombinovaná hodnota mìrných spotøeb paliva a mìrných emisí urèená váhovým prùmìrem mìrné produkce z mìstské a mimomìstské èásti cyklu. Mìstská èást je zastoupena 36,8 % a mimomìstská èást 63,2 %.

Obr. 1. Hodinová spotøeba paliva E85

Obr. 2. Prùbìh otáèek a toèivého momentu motoru v mìstském cyklu UDC

(2),

kde: Mps(i) (g . s–1) je prùbìh okamžité spotøeby paliva, fit je funkce, která definuje spojitou plochu viz krok výše, nm(i) (min–1) je prùbìh otáèek v motoru bìhem cyklu, Mm(i) (Nm) je prùbìh toèivého momentu motoru bìhem cyklu, Mpk(i) :=

LCaØ 125, è. 5-6, kvìten-èerven 2009

(3),

181

LISTY CUKROVARNICKÉ a ØEPAØSKÉ

Obr. 3. Spotøeba paliva E85 a benzinu Natural 95 v mìstském cyklu UDC

Obr. 6. Produkce emisí CO2 na palivo E85 a benzin Natural 95 v mimomìstském cyklu EUDC

Obr. 4. Spotøeba paliva E85 a benzinu Natural 95 v mimomìstském cyklu EUDC

Obr. 7. Produkce emisí CO na palivo E85 a benzin Natural 95 v mìstském cyklu UDC

Obr. 5. Produkce emisí CO2 na palivo E85 a benzin Natural 95 v mìstském cyklu UDC

Obr. 8. Produkce emisí CO na palivo E85 a benzin Natural 95 v mimomìstském cyklu EUDC

Výsledky provedeného experimentu ukazují na relativnì vysoký nárùst spotøeby paliva pøi použití paliva E85, který je

zapøíèinìn nižší výhøevností ethanolu tvoøící základ paliva E85. Pøi kombinovaném zpùsobu provozu vzroste hmotnostní spotøeba

182

LCaØ 125, è. 5-6, kvìten-èerven 2009

MILER, HROMÁDKO, HROMÁDKO, HÖNIG, SCHWARZKOPF: Zhodnocení ekologického potenciálu paliva E85

Obr. 9.

Produkce emisí HC na palivo E85 a benzin Natural 95 v mìstském cyklu UDC

Obr. 11. Produkce emisí NOx na palivo E85 a benzin Natural 95 v mìstském cyklu UDC

Obr. 10. Produkce emisí HC na palivo E85 a benzin Natural 95 v mimomìstském cyklu EUDC

Obr. 12. Produkce emisí NOx na palivo E85 a benzin Natural 95 v mimomìstském cyklu EUDC

poklesne o 21 % a produkce oxidù dusíku poklesne o 31 %, paliva o 46,4 %. Výrazný nárùst spotøeby paliva nelze považovat za negativní jev, je však nutné s nárùstem spotøeby paliva uvažujeme-li o kombinovaném zpùsobu provozu. kalkulovat pøi stanovování ceny paliva E85. Pøepoèítaná cena na energetický ekvivalent benzinu musí být Tab. II. Výsledné mìrné produkce jednotlivých složek emisí konkurenceschopná. Pøímý pokles v produkci CO2 je relativnì nízký, viz obr. 5. a obr. 6., jeho pokles je Mìstská èást Mimomìstská Kombinovaný Mìrné emise nutné hledat ve zpùsobu výroby ethanolu jako biocyklu èást cyklu provoz paliva. V Èeské republice pøipadají jako nejvhodnìjší plodiny pro získávání bioetanolu cukrovka a obiloviny. Spotøeba paliva E85 (g . km–1) 92,25 52,62 67,20 Z tìchto dvou jmenovaných plodin pøináší cukrová Spotøeba paliva Natural 95 (g . km–1) 63,56 35,62 45,90 øepa vìtší úsporu v produkci CO2 (cukrovka pøibliž–1 CO2 na palivo E85 (g . km ) 218,6 122,8 158,05 nì 40–45 %, obiloviny 25–30 %). Z hlediska úspory –1 C O n a p a l i v o N a t u r a l 9 5 ( g . k m ) 2 2 5 , 5 1 2 6 , 7 163,06 2 produkce CO2 pøinášejí nejvìtší pøínos biopaliva dru–1 CO na palivo E85 (g . km ) 0,27 0,26 0,26 hé generace vyrábìná z lignocelulózy, jejich výroba –1 je však technicky pomìrnì nároèná, proto je v souCO na palivo Natural 95 (g . km ) 0,43 0,33 0,37 èasné dobì technologie výroby tìchto biopaliv pøedHC na palivo E85 (mg . km–1) 2,59 1,49 1,89 mìtem rozsáhlého výzkumu. Výrazný pøínos je –1 HC na palivo Natural (mg . km ) 3,2 1,86 2,35 i v produkci pøímo limitujících škodlivin, oxidu uhel–1 N O n a p a l i v o E 8 5 ( m g . k m ) 1 7 , 2 5 1 7 , 4 2 1 7,36 X natého, nespálených uhlovodíkù a oxidù dusíku. Pro–1 NOX na palivo Natural (mg . km ) 24,39 25,46 25,07 dukce oxidu uhelnatého pøi spalování paliva E85 poklesne o 30 %, produkce nespálených uhlovodíkù

LCaØ 125, è. 5-6, kvìten-èerven 2009

183

LISTY CUKROVARNICKÉ a ØEPAØSKÉ

Výše provedený rozbor experimentu ukazuje na výrazný ekologický potenciál paliva E85. Hlavní nevýhodu bránící jeho širšímu rozšíøení pøedstavuje cena výsledného biopaliva, která se neobejde bez státní dotace. Jednou z možností jak snížit cenu paliva je odpoèet spotøební danì na podíl biosložky. Pøínos ve výsledné cenì však, pøi souèasných nízkých cenách ropy, nemusí být dostaèující. Do budoucna by bylo vhodné hledat i jiné zpùsoby jak podpoøit cenu bioetanolu. Rozšíøení využívání paliva E85, mùže pøinést výrazné snížení ekologických dopadù dopravy na životní prostøedí, snížit závislost na dovážené ropì a pøinést další výrobní možnosti pro zemìdìlce a cukrovary. Pøíspìvek vznikl za podpory projektu MD ÈR è. CG912-058-520 „Metodika kvantifikace a vyhodnocení environmentálních a bezpeènostních vlivù dopravy“ a projektu OC 193 MŠMT ÈR, souèásti akce EU COST 356 „Metody hodnocení a multidisciplinární ocenìní vlivù dopravy na trvale udržitelné životní prostøedí“.

Souhrn Èlánek se zabývá zhodnocením ekologického pøínosu paliva E85, ke kterému byla použita virtuální simulace evropského homologaèního cyklu NEDC. Základ simulace tvoøí charakteristiky motoru namìøené na zkušebním stanovišti. V prvním kroku jsou namìøeny emisní charakteristiky a charakteristika spotøeby paliva pøi použití automobilového benzinu Natural 95. V druhém kroku jsou namìøeny stejné charakteristiky pøi použití paliva E85. Testovaným motorem byl motor Škoda Felicia 1,3 MPi. Pro umožnìní spalování paliva E85 bylo nutné použít speciální úpravu øídicí jednotky motoru. Následující speciální výpoètový program vyvinutý na Katedøe vozidel a pozemní dopravy je pak schopný k charakteristikám motoru a prùbìhu rychlosti v jízdním cyklu NEDC stanovit mìrnou produkci jednotlivých složek emisí a spotøebu paliva pøipadající na jeden ujetý kilometr. Klíèová slova: palivo E85, automobilový benzin Natural 95, spotøeba paliva, škodlivé emise, bioetanol.

Literatura 1. Proposal for a Directive of the European Parlament and of the Council on the promotion of the use of energy from renewable sources. COM (2008) 30 final, Brusel, 23. 1. 2008. 2. Proposal for a Directive of the European Parlament and of the Council on the use of biofuels for transport and propsal for a Council Directive amending Directive 92/81/EEC with regard to the possibility of applying a reduced rate of excise duty on certain mineral oils containing biofuels and on biofuels. COM (2001) 547 final, Brusel, 7. 11. 2001. 3. KAMEŠ J.: Alternativní pohony automobilù. 1. vydání, Praha: Ben, 2004, 232 s., ISBN 80-7300-127-6. 4. MIKŠOVSKÝ T.: Nejasná budoucnost biolihu v Èesku. Petrol magazine, 7, 2006 (4). s. 68–71. 5. BABIÈKA L.: Najde cukrovka využití pøi výrobì bioplynu a palivového lihu v rámci zemìdìlského potravináøského komplexu? Listy cukrov. øepaø., 122, 2006 (3), s. 78–81. 6. Directive 2003/30/EC of the European Parlament and of the Council on the promotion of the use of biofuels or other renewable fuels for transport. Brusel 8. 5. 2003. 7. Zákon è. 180/2007 Sb., kterým se mìní zákon è. 86/2002 Sb. o ochranì ovzduší. Sbírka zákonù ÈR, 2007.

184

8. Directive 2003/96/EC of the European Parlament and of the Council on restructuring the Community framework for the taxation of energy products and electricity. Brusel 27. 10. 2003. 9. Dieselnet – Emission Test Cycle. [online] (cit. 27. 7. 2008) . 10. EPA – Vehicle chassis Dynamometer Driving Schedules. [online], , (cit. 21. 10. 2006). 11. MATÌJOVSKÝ V.: Automobilová paliva. Praha: Grada Publishing, 2005, 224 s. 12. HAVLAS M.: Výstavba lihovaru Dobrovice. Listy cukrov. øepaø., 123, 2007 (7/8), s. 226–231. 13. TRNKA J.: Koncepce rozvoje biopaliv v Èeské republice. Listy cukrov. øepaø., 124, 2008 (5/6), s. 148–149. 14. MAXWELL T., JONES J.: Alternative Fuels (Emissions, Economics, and Performance). Mechanical Engineering Department Texas Tech University, In Society of Automotive Engineers, 1994, ISBN 1-56091-523-4 15. TAKÁTS M.: Mìøení emisí spalovacích motorù. Praha: ÈVUT, 1997, 111 s. 16. ŠEBOR G., POSP͊IL M., MAXA D.: Využití kapalných biopaliv pro pohon motorových vozidel. Chemické listy, 100, 2006, s. 30–35. 17. HÖNIG V., MILER P., HROMÁDKO J.: Bioetanol jako inspirace do budoucna. Listy cukrov. øepaø., 124, 2008 (7/8), s. 203–206. 18. DOORNBOSCH R., STEEMBLIK R.: Biofuels: Is the Cure Worse than the Disease? Round Table on Sustanainable Development-Organasation for Economic Co-operation and Development, Paris, 11.–12. 9. 2007 19. ŠEBOR G., POSP͊IL M., ŽÁKOVEC J.: Technickoekonomická analýza vhodných alternativních paliv v dopravì. Výzkumná zpráva vypracovaná pro Ministerstvo dopravy ÈR, VŠCHT Praha, 2006. 20. HRADISKÝ J.: Dobrovický Agroetanol TTD uvedl jako první èeský výrobce na trh vysokokoncentrovanou palivovou smìs E85. Listy cukrov. øepaø., 125, 2009 (1), s. 21–22. 21. REINBERGR O.: Dlouhodobý výhled výroby bioetanolu v ÈR. Listy cukrov. øepaø., 124, 2008 (7/8), s. 200–202.

Miler P., Hromádko J., Hromádko J., Hönig V., Schwarzkopf M.: The ecological potential evaluation of fuel E-85 The article deals with the ecological benefit analysis of fuel E-85, where the virtual simulation of european homologation test NEDC was used for. The base of the simulation forms the motor characteristics measured on the test bed. In the first step the emission characteristics and characteristic of fuel consumption are measured, when using petrol Natural 95. In the second step the same characteristics are measured, when using fuel E-85. By reason that, the motor of Skoda Felicia is used as a test engine, so there is a need to use a special adjustment of control section for the motor burning of E-85. The special program, which was developed by the Department of Vehicles and Ground Transport at the Czech University of Live Sciences Prague, is able to determine the specific production of individual emission components and fuel consumption of one kilometre treveled (0.6214 mi.) on the motor characteristics and course of speed in the driving cycle NEDC. Key words: fuel E-85, petrol Natural 95, fuel consumption, harmful emissions, bioethanol.

Kontaktní adresa – Contact address: Ing. Petr Miler, Èeská zemìdìlská univerzita, Technická fakulta, Katedra vozidel a pozemní dopravy, Kamýcká 129, 165 21 Praha 6 Suchdol, Èeská republika, e-mail: [email protected]

LCaØ 125, è. 5-6, kvìten-èerven 2009